化学与奥运会

奥运会与化学 中国体育健儿在巴黎奥运会上的优异表现是这个暑假的最大话题 前言 化学里的五环 试一试 配制五种颜色的溶液组成奥运五环。 试一试 配制五种颜色的溶液组成奥运五环。 铜丝在氯气中燃烧后，在集气瓶中加入少量水，用玻璃片盖住瓶口，振荡。为什么瓶内溶液的颜色有时会呈蓝色，有时会呈黄绿色或绿色或蓝绿色。 在氯化铜溶液中存在两种有颜色的离子，[Cu(H2O)4]2+呈蓝色，[CuCl4]2-呈黄色，它们之间存在：[Cu(H2O)4]2+＋4Cl- ⇌[CuCl4]2-＋4H2O，当 [CuCl4]2-的浓度较大，溶液就会呈黄绿色或绿色； [Cu(H2O)4]2+的浓度较大，溶液就会呈蓝绿色或蓝色。 前言 化学里的五环 “奥林匹克烯” 它是一个由五个苯环融合组成的多环芳烃。分子式为C19H12。其结构十分微小，宽度只有约1.2纳米，相当于人类头发约10万分之一，堪称世界上最小的五环标志。 这个分子最早来自于一位化学家当年的突发奇想。英国皇家化学会理事格雷厄姆-理查兹教授某次随手涂鸦时，突然想到：如果把一个拥有3个六角形环的分子结构跟其他两个结合在一起，或许会成为一个十分有趣的合成化学的挑战。 前言 化学里的五环 “奥林匹克烯” 不过，它的意义可不仅仅在于向奥运致意，而是有着更为实际的科学价值。它的结构与石墨烯类似，在电学和光学等方面都有独特之处，将来极有可能应用于研发下一代太阳能电池或发光二极管等。 “奥林匹克烯”虽然和奥运五环造型相似。不过，它的环与环之间却是并合的。而不是像奥运五环那样环环相扣。于是，脑洞大开的化学家们又合成出了环环套连的“奥林匹克索烃”， （Olympiadane）. 前言 化学里的五环 “奥林匹索烃” 索烃是含有两个或两个以上的原子环，象在链条上的环一样连接在一起。但每个环之间不被任何价键力连接。索烃的合成本身就极具难度，而要做到5环相互套连，在有机合成中就更富挑战性。其对于分子器件的合成具有重要的指导意义。 前言 化学里的五环 01 奥运会与新能源 全球变暖是人类的行为造成地球气候变化的后果。 “碳”就是石油、煤炭、木材等由碳元素构成的自然资 源。“碳”耗用得多，导致地球暖化的元凶“二氧化碳 ”也制造得多。随着人类的活动，全球变暖也在改变 （影响）着人们的生活方式，带来越来越多的问题。 碳中和（carbon neutrality）：节能减排术语。一般是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。 净零的想法源于2000年代末对大气、海洋和碳循环如何对二氧化碳排放做出反应的研究。这项研究发现，只有将二氧化碳排放量减少到净零，全球变暖才会停止。 01 奥运会与新能源 01 奥运会与新能源 汽车：一辆每年在城市中行程达到2万公里的大排量汽车释放的二氧化碳为2吨。发动机每燃烧1升燃料向大气层释放的二氧化碳为2.5公斤。 法国Tier-Dott公司携手中国企业九号公司，共同为奥运会注入了一股强劲的绿色动力。Tier-Dott投放的15000辆共享电助力自行车如同一道道流动的绿色风景线，穿梭于城市的每一个角落。这些自行车使用锂电池，且采用混动骑行技术实现三重助力作为动力。 锂离子电池：一般使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。 放电时锂离子从负极脱嵌，并嵌入正极，这个过程中转移的电子通过导线、用电器，形成电流。 01 奥运会与新能源 01 奥运会与新能源 2024年巴黎奥运会的官方用车是丰田 Mirai 氢燃料电池汽车。其利用高压储氢罐里的氢气，让氢原子在燃料电池阴极上反应，释放的电子通过导线、用电器，即形成电流，提供电能。 然而，科学家认为，虽然MIRAI等氢燃料车没有尾气排放，但其使用的氢气的生产严重依赖甲烷，污染程度高于电池电动汽车（EV）。 02 火炬燃料进化史 当人类还处于柴薪时代，火炬都是浸染了油脂或者沥青的火把。 1936年奥运会在德国柏林举办。这一届的火炬为银色钢制材质，燃料则为复合镁粉。镁粉呈银白色，是一种化学性质活泼的金属，遇见水气就容易燃烧，燃烧时会产生耀眼的白光并放出高热。能够让火焰更明亮，也是柏林奥运会选择添加镁粉的原因。之后的伦敦及墨尔本奥运会上，火炬的燃料也都加入了镁粉。由于镁十分活泼，成本也高，燃烧颜色不够美观，所以后期逐渐被淘汰。 02 火炬燃料进化史 1948年伦敦奥运会，火炬的燃料则是含6%萘的六胺燃料片。 胺类其实是一种燃料，在工业和能源领域有着广泛的应用。其中，不同分数的脂肪胺或芳香胺组成的混胺燃料还可以作为火箭燃料。这种燃料同样不具有经济性。 02 火炬燃料进化史 20世纪中期及以后，油气工业蓬勃发展，油气能源开始成为奥运会的主要火炬燃料。1952年赫尔辛基奥运会火炬的燃料就是液化气。 液化气全称是液化石油气，是一种在炼油厂内由天然气或者石油进行加压降温液化所得到的一种无色挥发性液体，主要成分是丙烷、丁烷、及其他烷烃。 02 火炬燃料进化史 1956年墨尔本火炬的燃料是片状六角形，加萘的特殊点火材料，可以持续燃烧至少15分钟。这种材料可以释放大量烟雾，也更明亮。 02 火炬燃料进化史 1964年东京奥运会直接用火药和烟雾作为火炬的燃料。火炬外面覆有不锈钢，里面可填充燃料。火药通常作为火箭、导弹等的助推剂，所以在使用的过程还存着一定的风险性。 02 火炬燃料进化史 1972年慕尼黑奥运会使用了24%的丙烷和76%的丁烷组成的液化气，能够持续燃烧15至22分钟。另外，这届奥运会还制作了两支圣火灯。它们以丙烷气体为燃料，可以不间断燃烧至少六周。 丙烷和丁烷以 35:65 的比例混合燃烧产生的火焰无烟尘且清晰明亮。之后的1980年莫斯科奥运会、2000年悉尼奥运会及2012年伦敦奥运会也都使用了丙烷和丁烷的混合物作为火炬燃料。 丁烷燃烧方程？ 02 火炬燃料进化史 1976年蒙特利尔奥运会火炬的燃料是橄榄油、佐剂、烟雾弹。因为燃料是橄榄油，燃烧时基本看不到黑烟，而烟雾弹的存在正好可以起到弥补的作用。 2P+5O2=2P2O5 P2O5+H2O=2HPO3 2P2O5+6H2O=4H3PO4 化学中的“烟”是由固体颗料组成,“雾”是由小液滴组成,烟幕弹的原理就是通过化学反应在空气中造成大范围的化学烟雾. 02 火炬燃料进化史 1984年洛杉矶奥运会及2008年北京奥运会则使用了丙烷。丙烷无色无味，化学性质稳定，常被用作冷冻剂、内燃机燃料或者有机合成原料。丙烷在燃烧时火焰呈现蓝色，能够释放大量热量。 02 火炬燃料进化史 1988年首尔奥运会的火炬燃料为二氧化锰、铬酸钡、镁和磷。这里边二氧化锰是催化剂，铬酸钡、镁和磷则是作为反应物参与燃烧反应。前面提过镁的反应过程。而磷在空气中燃烧时会发出黄白色火焰，放出热量，产生大量白烟，生成一种白色粉末状固体物质。 02 火炬燃料进化史 绿色燃料开始崛起 与丙烷一样，在上个世纪使用的另一种低碳燃料是天然气。1992年巴塞罗那奥运会及2004年雅典奥运会都是这种燃料。天然气主要由甲烷组成，被普遍认为是一种高效、清洁的能源。 不难发现，自上世纪开始，奥运会就已经开始注重燃料的低碳问题。到了21世纪，随着气候变化及环境保护的观念逐渐深入人心，奥运会燃料的低碳化进程明显加快了。 03 巴黎奥运会奖牌揭秘 金牌竟然是“铁”做的 金牌由523克银和6克金组成，还有特殊成分：来自埃菲尔铁塔的旧铁件，主打一个把“巴黎铁塔”带回家。法国之所这么做，是希望通过奥运会金牌向大家传递了环保可持续的理念。 无独有偶，废旧塑料瓶在本届奥运会上也大放光芒。据组委会介绍， 本届巴黎奥运会上的领奖台、观众席的座椅也均是由废旧塑料瓶制成的。 03 巴黎奥运会奖牌揭秘 金牌背后的电化学知识 金（Au）的化学性质稳定，不易被腐蚀，是一种贵重金属，全球黄金储量约为5.9万吨。 金牌中间的六边形（象征着法国的地理轮廓）埃菲尔铁塔旧件Fe与外层的Au、Ag，在潮湿的环境可构成原电池，会加快铁腐蚀的速率。请你帮冠军们想一想，怎样可以防止金牌锈蚀？ 03 巴黎奥运会奖牌揭秘 银牌重525克，由纯银制成。银（Ag）：具有稳定的化学性质，反射性强，使奖牌具有明亮的光泽。 铜牌重455克，由铜、锡和锌制成。铜（Cu）：用于制作铜牌，虽然不如金、银贵重，但因其特有的色泽和延展性，也是制作奖牌的重要材料。 美国滑板运动员吐槽巴黎奥运铜牌：带了几天就褪色，很粗糙。如果没有保护好，铜会与空气、水发生反应，请大家想一想生成物是什么呢？ 03 巴黎奥运会奖牌揭秘 单比奥运奖牌的质量的话，不得不说这几届的奥运还得是中国的奖牌质量好，甚至都不怕火烧，不怕摔碎，就连挂脖上的绳子都用上了高科技，这也是当初俄罗斯的一位运动员家里遭遇了火灾之后，这块北京奥运的金牌还完好无损的原因，高科技产品，防水防火。 中国的金镶玉奖牌喻示中国传统文化中的“金玉良缘”，体现了中国人对奥林匹克精神的礼赞和对运动员的褒奖。 03 巴黎奥运会奖牌揭秘 虽然金镶玉奖牌是这几届当中重量最轻的，但是含金量却一点都不少，每一块都达到了6.5克的黄金。 奖牌用玉质地细腻，肉眼见不到颗粒，只能在偏光显微镜下放大几十倍后才可看清矿物晶体。它是由无数个细小的透闪石-阳起石矿物晶体组成的，抗撞击的性能强。 猜一猜：玉石的成分？ 04 奥运会器材·镁粉 奥运会举重时运动员往手上擦的白色粉末叫“镁粉”，其主要成分是碳酸镁。 运动员在比赛时，手掌心常会冒汗，这对体操和举重运动员来说非常不利。因为湿滑的掌心会使摩擦力减小，使得运动员握不住器械，不仅影响动作的质量，严重时还会使运动员从器械上跌落下来，造成失误，甚至受伤。 请你推测“镁粉”的性质有哪些？ 碳酸镁在比赛中用作防滑剂,增大摩擦系数。碳酸镁质量很轻，具有很强的吸湿作用，能吸去掌心汗水，同时还会增加掌心与器械之间的摩擦力。 碳酸镁在食品中作添加剂、镁元素补偿剂等 04 奥运会器材·镁粉 04 奥运会器材·发令烟雾 发令枪火药中的药粉含有氧化剂氯酸钾（KClO3）和发烟剂红磷（P）等物质。摩擦产生的高温使氯酸钾迅速分解，产生的氧气马上与红磷发生剧烈的燃烧。燃烧产物是五氧化二磷粉末，它的吸水性很强，吸收空气中的水，生成磷酸溶液的小液滴，因此产生烟雾。所以计时员就在看到白色烟雾时开始计时。 试一试：写出发令枪中化学反应的方程式？ 反应方程式：5KClO3+6P=3P2O5+5KCl 04 奥运会器材·撑杆进化史 撑杆跳高作为一项借用器材的运动，撑杆的弹性和长度发挥着关键作用。 1905年欧洲人从中国和日本引进竹子，并于1909年用于撑竿跳高中。从此，正式定名为“撑竿跳高”。 由于竹竿易断，金属竿逐渐代替了竹竿。虽1930年就已有钢竿，但并未普及。1952年出现了铝合金竿。 金属竿质地结实，运动员敢于提高握竿点，助跑速度加快，并加大了摆体幅度。 04 奥运会器材·撑杆进化史 早在1948年已有人采用玻璃纤维竿，但因动作掌握不好，运动成绩不理想。到60年代初，玻璃纤维竿又在美国问世。 后来，玻璃纤玻璃纤维经过编织成圆筒后 与有机树脂粘合再经过成形及高温定型后制造 成玻璃纤维复合杆，成为撑高跳高运动员得心 应手的武器． 04 奥运会器材·撑杆进化史 运动员使用这种玻璃钢撑杆在助跑结束插入斜穴时，撑杆能将运动员快速向前的动能很好地转换为撑杆的弹性变形能，撑杆被压弯到最大弧度后，向上释放出这部分弹性变形能而转换为运动员的势能，帮助运动员腾空而飞跃横杆． 04 奥运会器材·碳纤维场地车 梦幻超轻的碳纤维场地车 采用航空级纳米碳纤维材质车架，空气动力学效果对比上一代有产品提升。中国国家队的自行车“战车”，是泰山瑞豹T24场地车。它采用T1100碳纤维材料打造，车架仅有1150克的“梦幻”重量，整车仅重9.6千克，在全球同级产品中做到了最轻。相比金属材料，碳纤维有强度和刚性上的优势，同样的强度和刚性所做出来的产品，碳纤维产品比金属产品要轻50%，自重更轻，运动性能更好。瑞豹场地车的自主制造突破，进一步打破了欧美品牌在高端运动自行车制造领域的百年垄断。 04 奥运会器材·碳纤维场地车 而香港科技大学的科研团队为自行车选手们开发了一款尖端的空气动力学套装，这套衣服采用现代空气动力学概念设计，并与每位骑行者的体型相匹配。旨在将空气阻力减少约3%。开发人员结合使用风洞测试、计算机模拟和运动员反馈来完善设计。香港科技大学拥有世界顶尖的风洞实验室，在完善防护服的设计方面发挥了重要作用。 04 奥运会器材·乒乓球台 像冰一样滑的乒乓球台 2024年巴黎奥运会乒乓球官方比赛球台由上海红双喜制造。这次巴黎奥运球台的表面处理工艺，让球台的摩擦、弹跳效果更佳。球台表面有高分子特殊处理，摸上去像冰一样，很滑，这运用的是类似荷叶上凝聚水滴的滴液滚动的原理技术，材料润湿角比较小。同时，为方便巴黎残奥会运动员使用，研发人员将球台底部结构内收，为轮椅球员留出更多空间。 04 奥运会器材·杠铃  弹簧钢杠铃的花纹 巴黎奥运会杠铃供应商——河北张孔杠铃制造有限公司介绍，最终选用性能优异的弹簧钢材料生产，它具有极高的抗拉强度和抗疲劳强度。杠铃杆上刻有细密花纹的部分被称为滚花，它可以增加杠铃的摩擦力。公司独创了45度花纹，结束了行业内只有60度和30度花纹的历史。这一创新让运动员抓握杠铃时更稳，减少了因打滑带来的伤害。 04 奥运会器材·运动垫  防污智能运动垫 巴黎奥运会赛事中柔道、摔跤项目的运动垫，由山东泰山体育器材有限公司生产，首次采用智能芯片与柔性压电薄膜技术，可以实时根据运动员及教练需求，采集运动力度、速度、轨迹等信息，为训练比赛提供更加直观精准的指导。这些运动垫还采用了纳米防污技术，确保垫子的清洁与整齐，从而降低运动员生病的风险。 06 奥运会场地·跑道 巴黎奥运会致力于成为历史上最环保的奥运会之一，紫色跑道的创新正是基于这样的环保理念。 传统跑道通常由合成橡胶制成，这些材料来源于石油化工产品，不仅在生产过程中消耗大量能源，还可能产生有害化学物质。 跑道的底层由橡胶制成，这种材料来源于地中海地区的贝类贝壳，不仅减少了对石油资源的消耗，还降低了生产过程中的碳排放。紫色跑道的设计还考虑了能源效率和耐久性。跑道的使用寿命预计可达10年，且在达到使用年限后，材料可以被回收再利用，进一步体现了其环保理念。 06 奥运会场地·跑道 传统的煤渣跑道较软，冲击小，但通常表面不平、脏污并略显滑腻。沥青跑道更加平滑和清洁，但对关节和肌肉的冲击较大。新跑道巧妙地结合了这两种材料的优点，由两层配方各不相同的固体橡胶共硫化组成，两层之间的分子链结合形成了一个连续无缝的材料层，增强了结构的整体性和耐用性。 跑道表层由固体硫化橡胶制成，表层设计为凹凸式，这种凹凸花纹形成了一个复杂的和相互连接的通道网络，从而在没有牵引涂层或部分内嵌橡胶颗粒的情况下保证了牵引力，使得弹性和防滑性更佳，且有效排水。 06 奥运会场地·泳池 泳池水为何呈现蓝色？ 为了保证泳池卫生，加入适量灭藻剂（硫酸铜等），消毒剂（ 、臭氧等），絮凝剂（明矾）。灭藻剂硫酸铜不能能抑制藻类生长，还能杀菌，你知道这是为什么吗？ 06 奥运会场地·泳池 里约奥运神奇一幕：泳池水“蓝变绿” 原因之一：工作人员表示，在清洗水池时用了过氧化氢(即双氧水)，但错误与氯混合使用，两种化学物质产生作用让水中氯气被消耗（H2O2 +Cl2 ==2HCl + O2） 其中产生的氧气使得池中的水体富营养化，从而使得浮藻滋生。该反应也是巴西工作人员认为的泳池变绿的原因。 原因二：请你猜一猜？ 灭藻剂不足 05 穿在奥运·衣 泳衣改进游泳衣的关键有两点：一是水不能从泳衣表面进入，又能使进入泳衣的水流出；二是所用材料要质轻料薄、表面光滑。有人设想，在泳衣表面涂上相对分子质量为400万的高分子涂料，可减少水的摩擦阻力10%。由此推算，100米自由泳可缩短2秒时间。 clothing 中国奥运健儿的领奖服设计积极响应巴黎奥运会绿色、环保与可持续发展理念，领奖服选用了可再生尼龙和再生涤纶等环保面料，从原料到生产全程，实现了超过50%的“碳减排”，是经权威机构认证的“碳中和”奥运领奖装备。 再生尼龙也称尼龙回料，是一种环保型材料，主要通过回收再利用废旧尼龙制品而得。其原材料来源广泛，包括废旧衣物、袜子、绳索、渔网、地毯、工业塑料废料以及纺织生产过程中的边角料等 05 穿在奥运·衣 clothing 05 穿在奥运·鞋 运动鞋底篮球、排球运动员需要有一定弹跳性的鞋，就选用弹性好的顺丁橡胶作鞋底；足球运动员要求鞋能适应快攻快停、坚实耐用，使用强度高的聚氨酯橡胶作底材，并安装上聚氨酯防滑钉；田径运动员要求穿柔软并富有弹性的鞋，就设计高弹性的异戊橡胶作鞋底，以此满足不同运动员的要求。 shoes 05 穿在奥运·鞋 巴黎奥运会也成为最新跑鞋的比拼场。在过去的一年里，男子和女子马拉松的世界纪录都在鞋类材料和制造的创新助力下被打破。耐克用特殊材料的厚底鞋辅以碳纤维板，以提高运动柔韧性和能量响应能力。其中碳纤维板的曲率很重要，同时合适的气垫可以达到弹簧的作用。而阿迪达斯公司的设计瞄准了碳在关节下的推进效应，例如在大脚趾内。亚瑟士、纽巴伦和安德玛等都开发了具有碳纤维和弹簧状泡沫缓冲鞋垫的超级跑鞋 shoes 07 食在奥运 香蕉 中含有糖和丰富的碳水化合物，可以较快为运动员补充能量；香蕉中的钾离子可以补充由于大量出汗导致的肌肉灵敏度不足，能有效缓解神经肌肉紧张。 food 06食在奥运 兴奋剂最初指“供赛马使用的一种鸦片麻醉混合剂”，后泛指禁用药物。 国际奥委会规定的违禁药物已经达到七大类，主要包括：刺激剂：如苯丙胺、麻黄碱等，直接刺激中枢神经系统，提高运动表现。麻醉止痛剂：如杜冷丁、吗啡等，用于缓解疼痛，但会抑制神经系统。合成类固醇类：作为兴奋剂使用的合成类固醇，多数为雄性激素的衍生物，有助于肌肉生长和恢复。兴奋剂的使用破坏了体育竞赛的公平性，对运动员的身心健康也造成极大的危害。如合成类固醇可能导致肝脏损伤、心血管疾病等。 dope 06 住在奥运  奥运村里的懒人沙发 巴黎奥运村运动员的房间里配备了不少家居产品，其中包括3000套由桐乡瑞丽家纺生产的懒人沙发。这款沙发采用可回收的海绵边角料作为填充物，布面也采用特殊的阻燃纤维和编织工艺制成，既有一定防水功能，也符合全球最高的阻燃标准，可谓“水火不侵”。 live “中国制造”助力巴黎奥运会 碳纤维场地自行车、人性化的乒乓球桌、含芯片的柔道垫、琳琅满目的赛事纪念品……正在举行的巴黎奥运会上，各种各样的“中国制造”频频出镜。 “市面上大部分足球内胆是橡胶制品，采用的是石油基橡胶材料。为了减碳，这次我们开发了70%的生物基橡胶材料。”巴黎奥运会足球内胆供应商、顶碁运动用品（淮安）有限公司。顶碁与国际品牌协作，在足球内胆里植入 芯片，一秒能做500多次识别动作，通过传感器的实时感应，配合肢体追踪技术，就能辅助判断运动员是否有手球、越位。 乒乓球来自广东、80%的吉祥物“弗里热”产自中国……巴黎奥运会上，随处可见的中国产品，折射出国产品牌“走出去”的稳健步伐。乒乓球的重量精度要控制在0.01克范围内，100个乒乓球中，大约只有3—5个可以获得奥运“入场券”。最终，双鱼体育从上百万个乒乓球中挑选出3.5万个比赛用球运往巴黎。 “中国制造”助力巴黎奥运会 有互联网企业阿里巴巴的AI云计算技术，能在转播服务、优化场馆用电量、历史影像修复等方面支持巴黎奥运会数字化转型；有艾比森、洲明科技等涉及视觉智能的国产品牌，为巴黎奥运会提供LED大屏，与世界共同见证扣人心弦的比赛瞬间；还有无人机企业，奥运会开幕前夕，1100架来自广东深圳的无人机在空中勾画出五环、火炬手等图案，配合光影焰火，点亮巴黎夜空…… “所谓的‘体育强国’，不光是体育自身要强，还要让体育发挥带动和促进作用，通过体育赋能经济社会和人的全面发展。” THANKS $$