Текст книги "Химические элементы"

Рубидий. Усыпляющий и обезболивающий

В отличие от лития, натрия и калия, которые хранят в железных тарах под слоем керосина, рубидий хранится в стеклянных запаянных ампулах, внутри которых инертная атмосфера или же вакуум. Связано это с тем, что рубидий более активный.

Рубидия в земной коре значительно больше чем лития, однако в разы меньше чем калия или натрия. Так Rb составляет 1,5×10^-2 % массы земной коры. Кроме того, рубидий, в отличие от предыдущих рассмотренных нами металлов, относится к рассеянным. Нет, рубидий не страдает человеческими заболеваниями. Это означает, что рубидий практически не встречается в виде самостоятельных минералов или концентрированных залежей, а является всего лишь примесью в различных минералах других более распространенных элементов (рубидий – спутник калиевых минералов).

Рубидий и его соединения нашли применение как в медицине и оптических приборах, так и в катализе. Например, ацетат рубидия CH₃COORb используется для изготовления метанола (CH₃OH) и высших спиртов – органических соединений, которые содержат от 6 до 22 атомов углерода и одну гидроксильную группу – OH.

В организме человека рубидий находится в виде катионов Rb⁺, которые выполняют роль антиоксидантов, уничтожая свободные радикалы. В химии свободными радикалами называют те соединения, которые имеют неспаренные электроны. Кроме того, этот щелочной металл борется с окислителями – соединениями, склонными отбирать электроны у других. Типичными окислителями в быту являются марганцовка и перекись водорода (H₂O₂). Врачи же прописывают пациентам препараты, содержащие рубидий, в качестве снотворных и болеутоляющих.

Также различные соли рубидия, например, RbF выполняют роль электролитов в топливных элементах. Электролитами химики называют те соединения, которые способны в воде распадаться (по-научному диссоциировать) на положительные и отрицательные частицы (ионы). Раствор электролитов проводит электрический ток, то есть в нем происходит движение заряженных частиц к положительному и отрицательному полюсам в зависимости от заряда частиц. Пары рубидия используют в сверхточных атомных часах.

Надо сказать, стоит этот металл очень дорого – примерно 400 тыс. рублей за килограмм.

Франций. Элемент, который никто не видел

Франций интересен по нескольким причинам: его никто и никогда не видел, и скорее всего не увидит; это самый тяжелый и самый активный щелочной металл; его можно считать самым неустойчивым из первых ста элементов таблицы Менделеева. Самый долгоживущий изотоп франция ²²³Fr имеет период полураспада[2]2
  Период полураспада – промежуток времени, в течение которого распадается половина ядер радиоактивного изотопа.


[Закрыть] 22 минуты. Эти свойства, сочетающиеся в одном элементе, создали трудности в открытии этого элемента и изучении его свойств.

Открыла франций ученица Марии Склодовской-Кюри – француженка Маргарита Перей 9 января 1939 года. Но путь открытия был не прост. Существование данного элемента предсказал еще сам Д. И. Менделеев. Основываясь на свойствах других щелочных металлов, он предсказал свойства франция, например, что этот элемент будет сильнее, чем цезий, реагировать с водой и при комнатной температуре будет жидким. В то время он дал францию название экацезий.

Так как франций очень реакционноактивный, то на земле он может встречаться в виде каких-то соединений, а не в чистом виде. Причем растворимость солей франция выше, чем у солей других щелочных металлов, так как при переходе от лития к цезию растворимость солей возрастает.

На основе этих предположений ученые делали многочисленные попытки найти данный элемент. Где в мире встречаются соли щелочных металлов? Правильно – в морях, они соленые. Моря полны солей щелочных металлов. А в каком море больше всего этих солей? Правильно – в мертвом море. Поэтому, ученые, занятые поисками франция, совершали экспедиции на мертвое море. Ведь если его и можно было где-то найти в природе, то именно там. Однако исследования не давали положительного результата и ученые не могли найти новый элемент.

Так бы этот элемент остался неизвестным, если бы ученые не открыли явление радиоактивности, о котором мы поговорим позже.

Маргарита Перей занималась изучением цепочки распада актиния. В какой-то момент своих исследований она получила раствор, который должен был содержать соли щелочных металлов и не быть не радиоактивным. Проведя мысленный анализ полученных данных и сравнение со всеми известными радиоактивными изотопами других элементов, она пришла к выводу, что обнаружила какой-то радиоактивный изотоп щелочного металла. А так как исходным был актиний – тяжелый элемент, то полученный изотоп принадлежал тяжелому щелочному металлу. И это был явно не цезий. Открытый элемент сначала был назван «Актиний-К», а затем переименован в честь своей родины во франций.

Открыть открыли, теперь необходимо изучить физические и химические свойства. Как это сделать, ведь в чистом виде элемент не был получен? Основные исследования свойств франция проводились на бумаге. На основе закона о радиоактивном равновесии было посчитано, что на всей земле всего 500 граммов ²²³Fr.

Надеяться на то, что франций получит широкое применение, не стоит. Но все же, польза от него есть. Проводились опыты на крысах по изучению поведения франция в организме. Было установлено, что он избирательно накапливается в опухолях, причем и на ранних стадиях заболевания. Эти результаты очень интересны в онкологической практике, как метод раннего диагностирования образования опухолей.

Щелочноземельные металлы

Разобравшись с группой щелочных металлов, можно приступить к рассмотрению соседней с ними группы. В нее входят такие элементы как: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий. По химическим свойствам они похожи на своих соседей, однако проявляют валентность II. Их способность отдавать электроны (по-научному быть восстановителями) меньше, чем у щелочных «собратьев». Причины различий и сходств, происхождение названия, интересные факты об этих элементах и многое другое вы сможете найти ниже.

Начнем с происхождения названия. Если в случае щелочных металлов все было ясно, то тут мы имеем второй корень, указывающий на принадлежность к земле. Почему? Дело в том, что во времена алхимиков термин «земля» обозначал оксид какого-либо элемента. Например, оксид кальция CaO был бы кальциевой землей. При реакции оксидов щелочноземельных металлов с водой, образуется щелочь, отсюда и название.

Металлы, входящие в эту группу, достаточно сильно отличаются внешне. Так, бериллий и магний блестят на воздухе, в то время как кальций, стронций и барий не блестят. На то есть веская причина – химическая активность, которая у последних перечисленных металлов этой группы выше. Интересно, что по физическим свойствам щелочноземельные металлы сильно отличаются от щелочных: твердость бария сравнима с этим показателем у свинца, бериллий обладает твердостью стали (сплава железа и углерода).

Особого внимания заслуживает электронная оболочка. Все описываемые элементы обладают заполненной s-орбиталью, то есть на ней располагаются 2 электрона. Химики обозначают это в общем виде, как ns². Буквой n обозначается энергетический уровень или же по-простому период. Вместо n для каждого конкретного металла группы будет стоять число, соответствующее периоду, в котором стоит элемент. Если не знаете, что такое период, то просто посчитайте номер строчки, в которой находится этот элемент. Это и есть n. На самом деле эти понятия не равнозначны, но в этом случае для упрощения такое допущение возможно. Буква s, как вы уже догадались, обозначает орбиталь. Число вверху говорит нам о количестве электронов на этой орбитали.

Бериллий. О ком поет «Сплин»

Возможно, среди читателей найдутся поклонники этой отечественной рок-группы. Они уже догадались, о каком элементе пойдет речь на этот раз. Для тех, кому этот музыкальный жанр не близок, поясним: мы говорим о бериллии.

Все мы хорошо знакомы с красивейшими минералами: изумрудом, аквамарином, бериллом и т. д. А знали ли вы, что они все имеют в своем составе бериллий? И люди, жившие больше полутора тысяч лет назад, не подозревали, какому элементу эти минералы обязаны своей красотой. Лишь в конце XVIII века талантливый ученый Гаюи обратил внимание на то, что кристаллические структуры берилла и смарагда (устаревшее название изумруда) обладают заметным сходством. Немного позднее этим фактом заинтересовался Вокелен, который смог выделить из обоих минералов одинаковый оксид, отличный от всех тех, что были на тот момент известны. Экспериментируя с новым оксидом, ученый переводил его в различные соли. Некоторые соли нового элемента обладали сладким вкусом, поэтому новый элемент был назван глюцинием. Спустя какое-то время глюциний переименовали в бериллий, так как не только его соли были сладкими. Особого внимания заслуживает тот факт, что ранее химики очень часто не соблюдали технику безопасности, пробуя на вкус различные вещества. Поэтому ожоги ротовой полости и отравления были достаточно обычной частью жизни химика того времени. Слава богу, эти времена остались позади…

Основным достоинством этого металла является его легкость. Также отметим его сравнительно высокую устойчивость к коррозии, достаточно высокую температуру плавления и твердость. Главным образом эти свойства стали причиной использования этого металла в авиационной и космической промышленностях. К сожалению, большим препятствием на пути широкого использования этого металла является токсичность его соединений. А теперь вспомните, что ученые пробовали эти соединения на вкус!

Из оксида бериллия BeO изготавливают огнеупорные материалы. Нельзя не отметить важность металла под номером 4 для атомной энергетики: бериллий считается одним из лучших металлов для отражения и замедления нейтронов в атомных реакторах. И в этом случае токсичность металла не играет большой роли, ведь люди не имеют с ним контакта.

Содержание бериллия в земной коре достаточно мало (6×10^-4 %), поэтому этот металл по праву называют редким. Самым распространенным минералом бериллия, очевидно, является берилл, химический состав которого отвечает формуле 3BeO×Al₂O₃×6SiO₂. Часто примесью к этому минералу является Fe³⁺, который придает зеленовато-голубую окраску. Изумруд – самый дорогой минерал после алмаза, есть ничто иное, как берилл с примесями оксида хрома III (Cr₂O₃) и оксида ванадия III (V₂O₃).

Поговорив о прекрасном и в то же время опасном, перейдем к одному из элементов, без которого жизнь человека была бы невозможна.

Магний. Гори-гори ясно, чтобы не погасло

Магний. Поистине удивительный металл, о котором можно было бы написать целую книгу. Он сочетает в себе такие важные свойства, как: небольшой вес, прочность, низкая цена и легкость в обработке. Существенным минусом, как может на первый взгляд показаться, является его легкая воспламеняемость, однако и это свойство человек сумел подчинить себе и использовать в своих целях. Зажжем?!

Начнем, пожалуй, с распространенности в природе. На этот металл приходится примерно 2,4 % массы земной коры! Поэтому его можно смело назвать распространенным. Из-за сравнительно высокой химической активности магний в свободном состоянии не встречается, лишь в составе различных минералов. Среди них такие распространенные минералы, как: оливин 2MgO×SiO₂, шпинель MgO×Al₂O₃, тальк 3MgO×4SiO₂×H₂O. Также большие количества магния растворены в морской воде.

Соединения магния человеку знакомы с незапамятных времен. Первое же научное исследование какого-либо соединения магния было проведено в 1695 году английским химиком Грю. Он выделил из воды карбонат магния MgCO₃ и доказал, что подобная соль еще не была известна науке того времени. Лишь в 1808 году великий химик Гемфри Дэви провел электролиз этой соли и смог выделить достаточно загрязненный металлический магний.

О многочисленных применениях этого металла поговорим немного позднее. Сейчас же обсудим его «горячие» свойства. Металл горит ослепительно ярким белым пламенем, испуская при этом ультрафиолетовые лучи, которые могут повредить сетчатку глаза. Температура же, которую создает подобная реакция, составляет 2720°С! Магниевую ленту используют для поджигания различных смесей, например, термита. Термит – смесь оксида железа III (Fe₂O₃) и Al, при горении которой выделяется колоссальное количества тепла. С помощью термита до сих пор сваривают рельсы. Вернемся же к магнию. Потушить горящий магний – крайне затруднительная задача. При попытке тушения магния водой выделится водород, который тут же взорвется, поддерживая тем самым горение. Более того, реакция магния и воды крайне экзотермична, то есть в ходе нее выделяется много тепла.

Реакция магния и воды:

Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂

Тушить магний песком тоже не удастся, так как он реагирует с диоксидом кремния SiO₂ – основным компонентом песка. Наконец, углекислый газ, неподдерживающий горение в обычном случае, тоже не подойдет, так как тоже вступает в реакцию с магнием. При этом образуется оксид магния и углерод, который хорошо горит при доступе воздуха и высокой температуре. Так как же тушить горящий магний? Для этого используют специальные составы, например, триметоксибороксол B(OCH₃)₃. Это соединение при нагревании переходит в оксид бора B₂O₃, которое покрывает пленкой металл и не дает проходить кислороду в зону горения. Тушение пожара – целая наука.

Это свойство магния дало ученым и изобретателям поле для размышлений и новых областей применения. Магний стали использовать в фейерверках, сигнальных ракетах, трассирующих пулях и светошумовых снарядах.

Последние годы ознаменовали быстрый рост изделий из магния или же с его использованием. Например, в автомобильной промышленности магниевые сплавы применяют для изготовления легких и прочных колес. Немаловажны амортизаторы на основе магния, которые понижают нагрузку в десятки раз лучше по сравнению с алюминиевыми амортизаторами. Магний нашел очень широкое применение как в гражданской, так и в военной авиации, благодаря своему незначительному весу. Особого внимания заслуживает использование магния в медицине: это был первый материал, который использовали в качестве имплантатов. Дело в том, что магний имеет схожую плотность с костью человека, а также обладает рядом других важных характеристик.

Нельзя говорить о магнии и при этом не затронуть его биологическую роль. Во-первых, этот металл входит в состав хлорофилла. Этот пигмент придает листьям зеленый цвет и принимает непосредственное участие в процессе фотосинтеза. Без него жизнь была совершенно иной, если бы вообще была. Во-вторых, магний является макроэлементом в нашем организме. Он имеет большое количество функций в таких важных системах, как: нервная система, пищеварительная система, сердечно-сосудистая система. Участвует в обмене веществ и содержится в костной ткани. В организме человека содержится около 25 грамм этого металла.

Кальций. На асфальте, на доске

Открытием этот металл, как и магний, обязан Гемфри Дэви. Более того, годы открытия, а также способ получения также совпадают – электролиз карбоната кальция CaCO₃ в 1808 году.

Кальция в природе на 0,5 % больше, чем магния, поэтому его также относят к распространенным элементам. В свободном состоянии не встречается, зато имеет большое количество минералов. Среди них анортит CaO×Al₂O₃×2SiO₂, волластонит CaO×SiO₂. Морские животные используют соединения кальция для формирования скелета, который после их смерти падает на дно. Так формируются большие залежи карбоната кальция CaCO₃. Эта соль известна нам в качестве самых различных материалов: мела, мрамора, жемчуга. Также всем хорошо известный гипс имеет состав CaSO₄×2H₂O. Как и магний, кальций находится в морской воде в виде ионов Ca²⁺.

Кальций также относится к макроэлементам и играет важную роль в жизнедеятельности человека. Больше всего этого металла содержится в костях и зубах. Ионы же кальция принимают участие в большом количестве разнообразных процессов в организме: в свертывании крови, мышечном сокращении, секреции гормонов и нейромедиаторов, генерации нервного импульса.

Соединения кальция повсеместно используются человеком. Начиная от школьных мелков, заканчивая гипсом в больнице. Оксид кальция CaO является важным реагентом в химической промышленности. Также он важен для машиностроения и металлургии, поэтому входит в десятку самых производимых веществ в мире. При помощи металлического кальция получают важнейшие металлы для атомной промышленности – торий и уран. Карбонат кальция – компонент цемента, а также сырье для получения CaO и Ca(OH)₂. Стекольная промышленность также не может существовать без оксида кальция, ведь стекла на 12 % состоят из него. Бинарное соединение этого металла с углеродом – карбид кальция CaC₂ используют в ходе сварочных работ для получения ацетилена. Это далеко не полный список областей, где этот металл и его соединения играют важную роль.

Гашеная известь Ca(OH)₂ потребляется в большом количестве целлюлозно-бумажной промышленностью. Там ее используют для получения гидроксида натрия NaOH из карбоната натрия Na₂CO₃. Интересно, что гипохлорит кальция Ca(ClO)₂ используется в отбеливающих жидкостях.

Барий. Страшный яд

Судьба у бария уж больно типична. Историю его открытия может уже предположить теперь любой читатель. Однако все же поясним: в 1774 году Карл Шееле и Готлиб Ган исследовали один из самых тяжелых минералов – тяжелый шпат. Им удалось выделить из этого минерала оксид неизвестного металла. Это был оксид бария BaO. Лишь в 1808 году уже знакомый нам Г. Дэви при помощи электролиза выделяет чистый металл. Ничего нового. Все просто!

Барий, как и стронций, относится к мало распространенным элементам и составляет лишь 5×10^-2% массы земной коры. Собственных минералов не имеет ввиду высокой химической активности, по этому показателю он превосходит все остальные стабильные щелочноземельные металлы. Самыми распространенными минералами бария являются барит (BaSO₄), а также витерит (BaCO₃).

Высокая химическая активность делает применение чистого металла достаточно сложным и бесполезным занятием. Этот металл используют для удаления газов и серы из сплавов свинца и меди. Особое место в промышленности отводится сплавам бария с никелем: из них производят электроды запальных свечей для двигателей внутреннего сгорания. Они же в свою очередь используются в подавляющем количестве автомобилей. Существует еще несколько примеров использования этого металла, однако их можно пропустить. На очереди соединения элемента под номером 56.

Одним из важнейших соединений бария является его сульфат BaSO₄. Он находит самые различные применения, начиная от контрастного вещества для рентгена желудочно-кишечного тракта, до утяжеления банкнот. Нитрат бария Ba(NO₃)₂ является неотъемлемым компонентом эмалей. Хромат и манганат бария (BaCrO₄ и BaMnO₄ соответственно) успешно используют в качестве красящих пигментов. Перхлорат бария Ba(ClO₄)₂ является хорошим осушающим агентом, в том время как пероксид BaO₂ играет важную роль в производстве перекиси водорода.

Но не все так радужно. Растворимые соли бария очень токсичны. Катионы бария Ba²⁺ негативно влияют на работу гладкой и сердечной мускулатуры, поэтому отравившиеся чаще всего погибают из-за паралича. Будьте крайне аккуратны при работе с растворимыми солями этого щелочноземельного металла. Если вы стали свидетелем отравления барием, то немедленно вызовите скорую помощь. Пока она на подходе, следует оказать первую помощь: промывать желудок 1 % раствором сульфата натрия Na₂SO₄, поместить ноги пострадавшего в тепло, каждые 5 минут давать по 1 столовой ложке того же раствора для образования нерастворимого сульфата бария. После поить молоком или же слизистыми отварами. Знание химии может однажды спасти вашу или чью-либо жизнь.

Радий. Триумф Кюри

Радий в отличие от всех остальных щелочноземельных элементов не имеет стабильных изотопов. Еще одним отличием от остальных металлов этой подгруппы является тот факт, что открыт он был не в 1808 году и не Гемфри Дэви. Открытие этого элемента принадлежит, наверное, самой известной супружеской паре – Пьеру и Марии Складовской Кюри и Андре-Луи Дебьерну. В конце 1898 года ученые сообщили, что в ходе исследования повышенной радиоактивности урановой смолки был выделен радий, который был ответственен эта «лишнее» излучение. Отметим также, что помимо радия, избыточное излучение приходилось на полоний. Стоит подчеркнуть трудолюбие первооткрывателей: они переработали в течение года тонну остатков урановой смолки. В 1910 году был получен металлический радий.

Как читатель уже догадался, радий в природе почти не встречается. Этот металл составляет лишь 10^-10 % массы земной коры. Встречается он в следовых количествах в месторождениях урана, так как является продуктом распада.

Радий почти не находит применения из-за своей высокой радиоактивности, а также ничтожных количеств. Так один из изотопов радия ²³³Ra претерпевает альфа-распад, при этом испуская альфа-частицы. Эту особенность используют для лечения злокачественных опухолей в мочеполовой системе. Важно, что в этом случае рак распространился внутрь костной ткани. Так как радий по химическим свойствам схож с кальцием, который входит в состав костей, этот элемент может проникнуть внутрь кости. Это повышает эффективность терапии. Также на основе радия изготавливали светящиеся краски, которыми покрывали циферблаты часов. Это было сравнительно безопасно, так как альфа-частицы не могут пройти через слой стекла, однако на данный момент более безопасные краски вытеснили радиоактивные.