Химический элемент солнечный: Солнечный элемент

Неправильное имя «солнечного элемента» • Аркадий Курамшин • Научно-популярные задачи на «Элементах» • Химия

История открытия гелия связана с развитием нового тогда физического метода исследования — спектроскопии.

С конца XVIII века, с появлением такого сильного окислителя, как хлорат калия (бертолетова соль), стало понятно, что некоторые химические элементы могут окрашивать пламя в определенные цвета. Это открытие позволило делать разноцветные пиротехнические составы: зеленый цвет, например, в них создавался солями бария или бора, а красный — солями лития или стронция.

Другое следствие этого открытия — стало можно идентифицировать химические элементы по цвету, в который они окрашивают пламя. Позже, в результате совместной работы Роберта Бунзена и Густава Кирхгоффа, появился прибор под названием спектроскоп, в котором цвет, создаваемый элементом в пламени, с помощью призмы (сейчас — с помощью дифракционной решетки) расщеплялся на спектр — совокупность тонких и четких окрашенных линий. Набор таких линий оказался строго индивидуальным для каждого элемента, как уникальны для каждого человека отпечатки пальцев.

С тех пор идентификацию известных элементов и открытие новых стали делать уже не просто по цвету, а по набору его спектральных линий. С помощью спектроскопа Бунзен и Кирхгоф смогли открыть элементы рубидий и цезий, название которым было дано по их спектральным характеристикам: в спектре рубидия наблюдалась рубиново-красная полоса, в спектре цезия — две интенсивные синие полосы (лат. caesius — небесно-голубой).

В какой-то момент ученые решили, что спектроскоп может пригодиться не только на Земле, и попробовали использовать его для изучения химического состава Солнца. Такой подход позволил обнаружить на Солнце натрий, магний, кальций и железо.

В 1868 году француз Пьер Жансен и англичанин Норман Локьер независимо друг от друга обнаружили в солнечном спектре четкие линии, которые не соответствовали ни одному из известных в то время металлов. В том, что это был именно металл, ни у Жансена, ни у Локьера сомнений не было: известные к тому времени элементы-неметаллы, за исключением водорода, давали гораздо большее количество линий в спектре.

Локьер предложил для этого «металла» название «гелий» — в честь древнегреческого бога Солнца Гелиоса. В течение двух десятков лет гелий так и не был обнаружен на Земле, и Локьером уже начинали посмеиваться. Но в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай обнаружил гелий в газе, полученном при обработке кислотой урансодержащего минерала клевеита. В спектре газа была обнаружена та же ярко-желтая линия, которую Жансен и Локьер наблюдали в солнечном спектре.

Образец был направлен для дополнительного исследования английскому ученому-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца желтая линия совпадает с линией гелия, обнаруженного на Солнце. Гелий, образующийся при радиоактивном распаде, поглощался горной породой и при растворении породы в кислоте высвобождался. Так элемент, окрещенный Локьером как «солнечный», был обнаружен на Земле, но оказался не металлом, а крайне инертным газом. К тому времени все уже привыкли к названию «гелий», и Рамзай не стал менять название, «узаконив» ошибку.

Открытие гелия и других инертных газов стало первой проверкой на прочность сформулированного в 1868 году Д. И. Менделеевым Периодического закона, а также причиной первого внесения изменений в Периодическую систему.

В 1894 году Рамзай и английский физик лорд Рэлей открыли новый газ, которому не было места в Периодической системе, — аргон. Поведение аргона отличалось от поведения всех известных до того времени газов: химикам не удавалось заставить аргон с чем-либо реагировать, он оставался полностью инертным. Первоначально Менделеев предположил, что аргон — не химический элемент, а чрезвычайно устойчивое соединение, образованное в результате комбинации известных элементов.

Однако через год Рамзай сообщил, что ему удалось получить образец чистого аргона, атомная масса которого не позволяла говорить о нем как о соединении других элементов: легче него был только водород. Пришлось признать, что это элемент, места которому в Периодической системе нет. Кризис удалось успешно решить благодаря работам того же Уильяма Рамзая: в 1898 году он сообщил об открытии еще трех газообразных веществ, которым дал название криптон, ксенон и неон. Эти три газа были так же инертны, как и гелий с аргоном. Для пяти газов, открытых Рамзаем в период c 1893-го по 1898 год наблюдалось увеличение атомной массы, аналогичное тенденциям, наблюдавшимся для других групп элементов.

Всё это привело к тому, что Менделеев предпринял первое и единственное прижизненное изменение структуры своей Периодической системы: в 1903 году при подготовке к переизданию «Основ химии» по рекомендации Рамзая он добавил к таблице слева группу, состоящую из гелия, неона, аргона, криптона и ксенона, получившую название инертные газы, и присвоил ей нулевую нумерацию. Этим он подчеркнул химическую инертность, или, как он писал, «нульвалентность» составляющих эту группу элементов.

Полтора-два десятилетия спустя, когда Периодический закон удалось объяснить, используя представления об электронном строении атомов, были заложены основы современной теории химической связи и стало ясно, что номер группы в Периодической системе соответствует числу электронов на внешнем уровне элемента. Тогда инертные газы были перенесены из нулевой группы в главную подгруппу восьмой группы.

То, что инертные газы не нульвалентны, а могут проявлять свойственную элементам восьмой группы валентность восемь, стало ясно только в 1960-е годы, после того как Нилу Бартлетту удалось получить первое химическое соединение ксенона.

Прозрачные солнечные панели — новая попытка от китайских ученых / Хабр

Солнечная энергетика — один из трендов современности. В некоторых регионах при помощи солнечной энергии можно полностью удовлетворять свои нужды в электричестве. Для того, чтобы сделать фотоэлементы более эффективными, многие ученые готовы тратить время и ресурсы, причем немалые. Кому-то это удается, но пространство для маневра все равно остается.

Некоторые исследователи пытаются найти свой путь в этой сфере — например, сделать солнечные панели прозрачными. Это позволит расширить спектр их использования — размещать панели не только на крыше, но, например, в оконных проемах. Другими словами, заменять стекла в окнах на фотоэлементы.

Сообщения о прозрачных солнечных панелях появляются с завидной регулярностью, но пока что большинство экспериментов так и остаются экспериментами. Возможно, проект китайских ученых что-то изменит.

Дело в том, что они создали действительно прозрачные солнечные панели, где основную роль играет редкоземельный металл иттербий. Этот химический элемент способен излучать два «инфракрасных фотона» при поглощении одного «голубого». «Инфракрасные фотоны» игнорируются любыми материалами, кроме кремния, который, как известно, используется в качестве основного рабочего элемента солнечных панелей. Этот металл поглощает инфракрасные фотоны, излучая электрон. Получается, что на каждый «голубой» фотон кремний реагирует выделением двух электронов.

Получается, что прозрачные панели на 160% эффективнее обычных фотоэлементов (не на 200%, поскольку всегда есть потери).

Прозрачные фотоэлементы представляют собой полимерное стекло с включением наночастиц. Последние поглощают ультрафиолетовый свет, пропуская излучение других спектров. Все это позволяет добиться полной прозрачности фотоэлементов.

Положительным моментом является еще и то, что когда иттербий выделяет инфракрасные фотоны, они уходят в пространство под углом, который позволяет кремнию поглотить их. Как результат — можно создать окно, стекло в котором генерирует инфракрасные фотоны, а рамка, включающая кремний, способна поглощать их, генерируя электричество.

Правда, в конечном итоге мы получаем, мягко говоря, не очень эффективные солнечные батареи. Да, световое излучение синего спектра позволяет генерировать инфракрасные фотоны с эффективностью в примерно 180%. Но, к сожалению, прозрачные солнечные батареи способны поглощать свет синего спектра с эффективность лишь в 3%. Проблема состоит в том, что далеко не все фотоны улавливаются рамкой.

Тем не менее, даже это может быть отличным результатом, если прозрачные фотоэлементы внедрять повсеместно. КПД солнечных панелей такого типа можно улучшать, а если представить себе большое здание с окнами из прозрачных фотоэлементов, то речь идет о генерации значительных объемов электричества.

Возможно, увеличить эффективность солнечных батарей можно, изменив состав «стекла», что позволит получать больше «голубых» фотонов. Кроме того, кремний не единственный материал, который может использоваться для создания фотоэлементов. Есть и более эффективные — но они более дорогие (гораздо более дорогие).

Nanoletters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03966

Химический элемент | Определение, происхождение, распространение и факты

химический элемент

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Лотар Мейер
Антуан Лавуазье
Дмитрий Менделеев
Луи Бернар Гайтон де Морво
Джозеф Лошмидт

Похожие темы:

редкоземельный элемент
изотоп
переходный металл
периодическая таблица
водород

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

химический элемент , также называемый элемент , любое вещество, которое не может быть разложено на более простые вещества с помощью обычных химических процессов. Элементы — это основные материалы, из которых состоит вся материя.

В этой статье рассматривается происхождение элементов и их изобилие во Вселенной. Подробно рассмотрено геохимическое распространение этих элементарных веществ в земной коре и недрах, их нахождение в гидросфере и атмосфере. В статье также рассматривается периодический закон и основанное на нем табличное расположение элементов. Для получения подробной информации о соединениях элементов, см. химическое соединение.

Редакторы Британской энциклопедии

Общие наблюдения

В настоящее время известно 118 химических элементов. Около 20% из них не существуют в природе (или присутствуют лишь в следовых количествах) и известны только потому, что получены синтетическим путем в лаборатории. Из известных элементов 11 (водород, азот, кислород, фтор, хлор и шесть инертных газов) являются газами при обычных условиях, два (бром и ртуть) являются жидкостями (еще два, цезий и галлий, плавятся при температуре около или около выше комнатной температуры), а остальные – твердые вещества. Элементы могут соединяться друг с другом, образуя широкий спектр более сложных веществ, называемых соединениями. Количество возможных соединений почти бесконечно; известно, возможно, миллион, и каждый день открываются новые. Когда два или более элемента объединяются, образуя соединение, они теряют свою самостоятельную идентичность, и продукт приобретает характеристики, совершенно отличные от характеристик составляющих его элементов. Газообразные элементы водород и кислород, например, с совершенно разными свойствами, могут соединяться, образуя сложную воду, свойства которой совершенно отличаются от кислорода или водорода. Вода явно не является элементом, потому что она состоит из двух веществ, водорода и кислорода, и может быть химически разложена на них; эти два вещества, однако, являются элементами, потому что они не могут быть разложены на более простые вещества ни одним известным химическим процессом. Большинство образцов природного вещества представляют собой физические смеси соединений. Морская вода, например, представляет собой смесь воды и большого количества других соединений, наиболее распространенным из которых является хлорид натрия, или поваренная соль. Смеси отличаются от соединений тем, что их можно разделить на составные части с помощью физических процессов; например, простой процесс испарения отделяет воду от других соединений в морской воде.

Историческое развитие концепции элемента

Современная концепция элемента недвусмысленна, поскольку она зависит от использования химических и физических процессов в качестве средства различения элементов из соединений и смесей. Однако существование фундаментальных субстанций, из которых состоит вся материя, было основой многих теоретических предположений с самого начала истории. Древнегреческие философы Фалес, Анаксимен и Гераклит предполагали, что вся материя состоит из одного существенного начала — или элемента. Фалес считал, что этим элементом является вода; Анаксимен предложил воздух; и Гераклит, огонь. Другой греческий философ, Эмпедокл, высказывал другое мнение, что все вещества состоят из четырех элементов: воздуха, земли, огня и воды. Аристотель соглашался и подчеркивал, что эти четыре элемента являются носителями основных свойств: сухость и тепло связаны с огнем, тепло и влага с воздухом, влага и холод с водой, холод и сухость с землей. В мышлении этих философов предполагалось, что все остальные субстанции представляют собой комбинации четырех элементов, а свойства субстанций отражали их составы элементов. Таким образом, греческая мысль заключала в себе идею о том, что вся материя может быть понята с точки зрения элементарных качеств; в этом смысле сами элементы мыслились как нематериальные. Греческое понятие элемента, которое было принято почти 2000 лет, содержало только один аспект современного определения, а именно, что элементы обладают характерными свойствами.

Викторина «Британника»

Так много химии, так мало времени Викторина

Какой французский химик первым выделил кодеин? Кому приписывают открытие урана? Проверьте свои знания. Пройди тест.

В конце Средневековья, когда алхимики стали более изощренными в своих знаниях о химических процессах, греческие представления о составе материи стали менее удовлетворительными. Дополнительные свойства элементов были введены для учета вновь открытых химических превращений. Таким образом, сера стала представлять качество горючести, ртуть — летучести или текучести, а соль — устойчивости к огню (или негорючести). Эти три алхимических элемента или принципа также представляли собой абстракции свойств, отражающие природу материи, а не физических субстанций.

В конце концов была понята важная разница между смесью и химическим соединением, и в 1661 году английский химик Роберт Бойль признал фундаментальную природу химического элемента. Он утверждал, что четыре греческих элемента не могут быть настоящими химическими элементами, потому что они не могут соединяться с образованием других веществ и не могут быть извлечены из других веществ. Бойль подчеркивал физическую природу элементов и связывал их с соединениями, которые они образовывали современным оперативным путем.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

В 1789 году французский химик Антуан-Лоран Лавуазье опубликовал то, что можно считать первым списком элементарных веществ, основанным на определении Бойля. Список элементов Лавуазье был составлен на основе тщательного количественного изучения реакций разложения и рекомбинации. Поскольку он не мог разработать опыты по разложению некоторых веществ или их образованию из известных элементов, Лавуазье включил в свой список элементов такие вещества, как известь, оксид алюминия и кремнезем, которые теперь известны как очень устойчивые соединения. На то, что Лавуазье все еще сохранил определенное влияние древнегреческой концепции элементов, указывает его включение света и тепла (калорийных) в число элементов.

Семь веществ, признанных сегодня элементами — золото, серебро, медь, железо, свинец, олово и ртуть — были известны древним, потому что они встречаются в природе в относительно чистом виде. Они упоминаются в Библии и в раннем индуистском медицинском трактате Чарака-самхита . Шестнадцать других элементов были открыты во второй половине 18 века, когда стали лучше понятны методы отделения элементов от их соединений. Еще восемьдесят два последовали за введением методов количественного анализа.

Химические элементы Солнечной системы

сб, 21 октября 2017 г. |
Солнечная атмосфера

Поскольку большая часть массы Солнечной системы приходится на Солнце, а Солнце почти полностью состоит из водорода и гелия, в химическом составе Солнечной системы преобладают эти два элемента. Водород — самый легкий элемент. Его наиболее распространенный изотоп (на сегодняшний день) имеет ядро, состоящее из одного протона. В разделе 1.1.3 вы видели, что этот изотоп представлен как :H.

Гелий — следующий по легкости элемент, ядро ​​его наиболее распространенного изотопа (опять же далеко) состоит из двух протонов и двух нейтронов. Напомним, что элемент определяется количеством протонов в его ядре — это атомный номер — и что изотопы отличаются разным количеством нейтронов. Для обозначения конкретного изотопа к химическому символу добавляется количество нейтронов плюс протонов, как вы видели для обычного изотопа гелия, 4Не (раздел 1.1.3).

Солнечная система содержит все 92 встречающихся в природе химических элемента с атомными номерами от 1 (водород) до 92 (уран). Относительное содержание этих элементов было определено с помощью наблюдений за Солнцем и анализа примитивных метеоритов (раздел 3.3.2).

Большая часть массы за пределами Солнца приходится на Юпитер и Сатурн, и они также в основном состоят из водорода и гелия, хотя они содержат большее количество других элементов — так называемых тяжелых элементов. Для Солнечной системы в целом в таблице 1.5 приведены относительные содержания 15 наиболее распространенных химических элементов. Обратите внимание, что значение для гелия указано для Солнца за пределами его термоядерного ядра. Эта область не была истощена гелием в результате его превращения в водород в результате ядерного синтеза, как это происходит в ядре Солнца.

За исключением областей с очень высокими температурами, большинство атомов большинства элементов связаны с одним или несколькими другими атомами того же или других элементов. Важными исключениями являются гелий, неон, аргон, криптон и ксенон, которые настолько химически неактивны, что остаются одноатомными и получили название инертных или благородных газов. Если элемент соединяется сам с собой, как в h3, то мы имеем элемент в молекулярной форме, тогда как если он соединяется с другими элементами, то мы имеем его как химическое соединение.

Вода (h3O) является наиболее распространенным химическим соединением водорода в Солнечной системе. Таблица 1.5 предлагает причину. □ В чем причина?

Это потому, что кислорода много. Но водорода так много, что после образования водородных соединений остается много. Большая часть несоставного водорода за пределами Солнца находится на планетах-гигантах в виде h3 или в виде водородной жидкости с металлическими свойствами.