Текст книги "Химические элементы"

Водород. Первый и сам по себе

Данный элемент стоит особняком от всех элементов из-за своих физических свойств. Конечно, если рассматривать строение атома, а точнее его электронную оболочку, то он похож на щелочные металлы. У него также, как у щелочных металлов, внешняя и единственная для него электронная оболочка имеет один электрон на s-орбитали. Сами сравните: H 1s¹; Li 1s²2s¹. Но по сравнению с щелочными металлами, стоящими под водородом, его атом очень мал. Да и его ядро содержит всего один протон. В результате этого его свойства сильно отличаются. Да, из-за электронной конфигурации его ставят в одну колонку с щелочными металлами. Но водород нельзя назвать щелочным металлом. И он как бы сам по себе.

В дальнейшем мы увидим, что все элементы имеют аналоги, то есть другие элементы, со схожими свойствами. На этом принципе построена периодическая система элементов. Но у водорода нет аналогов. Он уникален и стоит сам по себе. Если взять любой другой атом любого элемента, то у него сложно отобрать все электроны, да и ядро представляет сложную структуру из протонов и нейтронов. А если у водорода отобрать электрон, то останется только элементарная частица – протон.

Уникальность его свойств определяет внешний вид не только нашего Земного мира, но и всей вселенной. Она на 88,6 % состоит именно из водорода. В результате термоядерной реакции он сгорает в недрах звезд и превращается в атомы гелия. К тому же, вылетающие из звезд в космическое пространство ускоренные протоны называются солнечным ветром. И такой ветерок, скажем мы вам, очень даже смертельный. С ним необходимо считаться при межпланетных или межзвездных перелетах в будущем. А попадая в земную атмосферу, такой ветер взаимодействует с ее элементами. Благодаря этому мы можем наблюдать северное сияние.

Собственно протон – это катион водорода H⁺. Если он где-нибудь находит электрон, то становится атомом водорода. Взаимодействуя с атомами кислорода, протоны солнечного ветра образуют молекулы воды, которые дождем выпадают на Землю.

В лабораториях химики получают газообразный водород в аппаратах Киппа при помощи реакции разбавленной серной кислоты H₂SO₄ и цинка Zn. Также его получают электролизом дистиллированной воды. В этом случае вода разлагается на водород и кислород. Для улучшения проводимости воды в нее добавляют немного соли.

При работе с водородом необходимо быть крайне осторожным, так как смесь водорода с воздухом в соотношении 2: 5 образует гремучую смесь, которая при малейшей искре взрывается.

Водород входит во множество различных химических соединений. Например, в состав кислот: HCl, HF, H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄ и т. д. Если вы внимательно приглядитесь к тому, что общего в этих формулах, то научитесь интуитивно определять, что перед вами формула какой-то кислоты. Также он входит в состав щелочей и гидроксидов: NaOH, KOH, LiOH, Fe(OH)₃, Ca(OH)₂… Ну и, конечно же, водород входит в состав всем известной воды H₂O.

Водород имеет широкое применение и встречается во многих химических соединениях. Чего стоит одна органическая химия, где основу составляют соединения углерода с водородом. Водород используется при производстве аммиака NH₃, углеводородов, масел, в качестве ракетного топлива. Также ученые планируют освоить термоядерный синтез для получения дешевой электроэнергии.

Интересный факт:

Если водород как следует охладить и приложить очень высокое давление, то он переходит в металлическое состояние. Правда, удалось получить водород в таком состоянии всего на одну микросекунду, то есть на 1 миллионную долю секунды.

Инертные газы

Чтобы найти в таблице Менделеева элементы, которые называют инертными газами, надо просто посмотреть на самую последнюю колонку. Их еще называют благородными газами. Свое общее название эти элементы получили благодаря своим свойствам: быть инертными и не вступать в химические реакции. То есть не взаимодействовать ни с чем. Они как коты, которые гуляют сами по себе.

Своими свойствами они обязаны тому, что все имеющиеся электронные оболочки полностью заполнены. У них «все есть». Ввязываться во взаимоотношения с другими элементами им абсолютно неинтересно. Поэтому все молекулы инертных газов – одноатомные. Но, все это до тех пор, пока мы говорим про обычные условия. Однако если мы поместим эти элементы в весьма экстремальные условия, то лучше с ними не связываться. В самых жестких условиях эти элементы могут потерять один или несколько внешних электронов. А этого они не любят. Поэтому стремятся снова заполнить свои внешние орбитали, отобрав электроны у всего, что окажется рядом.

Такие условия возможны, например, в индуктивно связанной плазме, где аргон нагревается до 5-6 тысяч градусов цельсия, теряет внешние электроны и образует множество различных химических соединений. Подробнее об этом можно посмотреть в видео «Масс-спектрометр ICP-MS» на нашем YouTube-канале. Что такое индуктивно связанная плазма там тоже рассмотрено.

Гелий. В честь солнца

Гелий является странным представителем инертных газов. Если все остальные элементы данного семейства имеют электронную конфигурацию ns²np⁶, то у гелия только 1s². У гелия нет p-уровня. По электронному строению он больше похож на щелочноземельные металлы, так как те тоже имеют внешнюю орбиталь ns², где n – это номер периода в таблице Менделеева (номер строчки). Однако по своим свойствам это именно благородный газ, а не металл. Также он не вступает в химические реакции ни с кем. Поэтому ученые отнесли его именно к инертным газам.

Если вы думаете, что водород – самый маленький атом из всех, то ошибаетесь. Самый маленький атом именно у гелия. В его атоме 2 электрона и 2 протона, которые сильнее сжимают размер электронной оболочки. При этом эти электроны крайне трудно оторвать от атома гелия.

Гелий был открыт сначала на Солнце и только через 13 лет на Земле. Причем на Земле гелий образуется благодаря радиоактивному распаду ядер урана. Но об этом позже. Если рассматривать химический состав вселенной, то выяснится, что она на 23 % состоит из гелия, на 76 % из водорода и только 1 % составляют все остальные химические элементы. Звезды, межзвездный газ – это все водород и гелий. Сам же гелий образуется в ядрах звезд в результате термоядерной реакции взаимодействия двух ядер водорода. А энергия, высвободившаяся при этом, излучается звездами в виде света и тепла, которые доходят до Земли от Солнца.

Впервые гелий начали применять в 1915 году в качестве наполнителя дирижаблей, заместив взрывоопасный водород. Далее он нашел свое применение в тяжелой промышленности и металлургии. Многие операции нельзя проводить на открытом воздухе, так как в нем есть кислород и азот, с которыми могут взаимодействовать получаемые вещества. А гелий – инертен. Поэтому, если заменить воздушную атмосферу на гелиевую при таком производстве, то качество получаемой продукции резко возрастет.

Всем нам известно, что глубоководники сталкиваются с проблемой кесонной болезни, в результате которой при резком всплытии азот в крови кипит и закупоривает кровеносные сосуды. Это происходит из-за того, что азот хорошо растворим в жидкостях. Если в атмосфере, которой дышат аквалангисты, азот заменить на гелий, то можно решить эту проблему, так как гелий не растворим в жидкостях. И таким «воздухом» на основе гелия можно безопасно дышать. Также гелий применяется в хорошо известных нам целях – воздушные шарики наполняют гелием.

Твердый гелий невозможно получить, просто охлаждая его. Даже при температуре, близкой к абсолютному нулю, гелий остается жидким. Причем в жидком состоянии он обладает сверхтекучестью. Он может вытекать через трубочки самого маленького диаметра. Чтобы все-таки получить твердый гелий, необходимо жидкий гелий поместить под очень высокое давление.

Неон. Новый

В 1898 году данный газ был открыт англичанином Уильямом Рамзаем. К этому моменту были известны только гелий и аргон. Он сжижал воздух, а затем медленно испарял из него фракции веществ, имевших разные температуры кипения. И снова их собирал, но уже по отдельности. Далее Рамзай исследовал их методом спектрального анализа. Он помещал газ в стеклянную трубку и подавал на него электрический ток. Газ начинал светиться. При этом записывались спектральные линии.

Здесь стоит пояснить, что такое спектр, и что из себя представляют спектральные линии. Давайте вспомним знакомую с детства радугу. Она в своем составе имеет весь спектр цветов. Если свет рассматривать, как набор волн, каждая из которых имеет свою длину, измеряемую в нанометрах, то радуга – это набор таких волн. Если с помощью призмы разложить свет, излучаемый каким-то предметом или атомом, то мы сможем увидеть отдельные линии с конкретными длинами волн. В каждом отдельном случае получается свой набор линий. Радуга имеет полный спектр. А вот другие свечения имеют только определенный набор линий, которые называются спектральными линиями. И для каждого атома, если заставить его светиться, излучает свой набор волн, образующих индивидуальный спектр. По этим индивидуальным спектрам, как по отпечаткам пальцев, можно определить, что за атом или вещество находится перед нами.

Трубка с неоном светилась оранжево-красным цветом. В момент, когда Рамзай наблюдал спектр нового неизвестного газа, в лабораторию вошел его сын. Увидев это яркое свечение, он воскликнул: «New one!». Так появилось название неон. С древнегреческого переводится, как «новый».

Неон легче воздуха в 1,44 раза, в 2 раза легче аргона, но при этом тяжелее гелия в 5 раз. При температуре –245,98^оС неон становится жидким. А охладив еще всего лишь на 2,6°С, неон становится твердым. Очень маленький диапазон перехода из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное. Больше всего неона в горячих звездах – красных гигантах, в газовых туманностях.

Свечение неоновых ламп вы, скорее всего, видели лично. Хотя сейчас для рекламных вывесок чаще используют светодиоды, но встретить неоновые вывески можете до сих пор. Поверьте, их вы ни с чем не перепутаете.

Чтобы получить один сорокалитровый баллон неона, требуется переработать 22 тысячи м³ воздуха. При температуре жидкого неона хранят ракетное топливо. В жидком неоне проводят заморозку животных тканей и имитируют условия космического пространства в термобарокамерах. Заменяя азот на неоно-гелиевую смесь, получают специальный воздух для водолазов и людей, работающих при высоких давлениях, чтобы избежать эмболии – болезни, при которой происходит закупоривание сосудов пузырьками газа.

Аргон. Самый дешевый из семейства

В 1785 году Генри Кавендиш обнаружил в воздухе новый неизвестный газ, но не смог понять, чем он являлся. Через 107 лет Уильям Рамзай, проводя аналогичные опыты, смог установить, что это – инертный газ. Позднее его назвали аргоном, что с греческого переводится как «недеятельный». Причина того, что ученые долгое время не могли обнаружить аргон, заключается в том, что он инертен и не вступает в химические реакции. А как заметить то, что никак себя не проявляет? Задача не из легких.

Аргон тяжелее воздуха в 1,38 раза. Поэтому дышать им, как гелием, ни в коем случае нельзя. Можно просто задохнуться, так как выдохнуть его очень сложно. Для этого надо становиться вверх ногами.

Смесь из 69 % аргона, 11 % азота и 20 % кислорода применяется для наркоза. До тех пор, пока человек дышит этой смесью, он спит. Как только престает ей дышать, человек просыпается.

Источником аргона на Земле является радиоактивный изотоп ⁴⁰К. В ходе его ядреных превращений образуется изотоп ⁴⁰Ar. Получают аргон в результате разделения воздуха на кислород и азот, где он является побочным продуктом. Аргон является самым доступным и дешевым из всех инертных газов. Совокупность этих свойств, а также тот факт, что он не участвует в химических реакциях, применяется в тех случаях, когда необходимо проводить какие-то работы с другими веществами, которые могут взаимодействовать с кислородом или азотом воздуха. Они помещаются в атмосферу аргона, и кислород с азотом больше не доставляют неудобств. Так, например, поначалу аргон использовали в качестве газа-наполнителя для лампочек, чтобы вольфрамовая нить не перегорала. Затем аргон нашел свое применение в металлургии, в тех процессах, где необходимо исключить контакт расплавленного металла с кислородом воздуха. То есть аргон используется как защитная среда. Также аргон применяется в дуговой электросварке трудносвариваемых металлов.

Криптон. Не страшен супермену

Этот инертный газ открыл все тот же Уильям Рамзай, что не удивительно, так как он занимался исследованиями, связанными именно с инертными газами. Но данное открытие получилось случайно, как и многие другие значимые открытия в самых разнообразных областях науки. Он пытался выделить гелий из воздуха, но у него этого не получилось. Однако в спектре тяжелой фракции он обнаружил желтую и зеленую линии в тех местах, где подобных следов не оставлял ни один известный элемент. Вывод был очевиден: обнаружен новый химический элемент. Его назвали криптоном, что означает «скрытный».

Газообразный криптон в 2,87 раза тяжелее воздуха, а жидкий в 2,14 раза тяжелее воды. Так же, как и аргон, криптон имеет малый температурный диапазон между жидким и твердым состояниями. Температура плавления –156,6°С, а температура кипения –153,9°С. Этот факт свидетельствует о том, что атомы инертных газов имеют слабые силы межмолекулярного взаимодействия. То есть силы, которые связывают молекулы между собой.

Криптон достаточно редкий и рассеянный газ. Но его содержание в атмосфере постепенно (очень медленно) возрастает, так как его «выдыхают» некоторые минералы, содержащие уран, в которых он образуется в результате ядерных реакций. Чтобы получить один литр криптона, необходимо переработать более миллиона литров воздуха. Так как криптон – это уже более тяжелый элемент, в отличие от гелия, неона и аргона, то внешняя электронная оболочка находится на большем расстоянии от ядра. Это приводит к тому, что внешние электроны не так сильно связаны с ядром, как у предыдущих инертных газов.

Чаще всего криптон применяется во всех тех же лампах накаливания, так как его использование позволяет продлить срок службы такой лампы в 2-4 раза. Он хуже, чем аргон, проводит тепло и в нем вольфрамовая нить меньше распыляется. Также уменьшается объем колбы. Такие лампы, если сейчас и не используются в быту, то в лакокрасочной и текстильной промышленности порой применяются, в том числе в качестве мощного источника инфракрасного излучения.

Ксенон. Очень яркий

Обнаружить данный элемент – задача довольно сложная. В 1 м³ воздуха содержится 9,3 л аргона и всего 0,08 мл ксенона. Работал над его открытием все тот же Уильям Рамзай в компании с англичанином-тезкой Уильямом Траверсом. Они все так же сжижали воздух и разделяли его на фракции из разных газов. Эта пара переработала около 100 т жидкого воздуха, и каждый раз после выделения и очистки криптона все равно оставался остаток. Этот остаток в электрическом разряде светился, давая удивительной красоты голубоватый спектр в областях от оранжевой до фиолетовой. Как мы помним, каждый элемент имеет свой набор спектральных линий. Полученный новый набор не был похож ни на один ранее известный. Вывод напрашивался сам собой: получен новый химический элемент. Его назвали ксеноном, что в переводе означает «чужой».

«Чужим» он стал по причине того, что вроде бы инертный газ, но ученые нашли первые химические соединения именно с ксеноном. Этот факт, конечно, немного смутил ученых, но вскоре они во всем разобрались, и все встало на свои места. Чем больше атом, тем слабее связаны с ядром внешние электроны. Поэтому их легче потерять и затем вступить в реакции с кем-нибудь, у кого проще отобрать электрон.

До 1961 года считалось, что инертные газы не могут вступать в реакции с другими веществами. Вера в инертность была абсолютной. Значит и химикам особо делать нечего с этими элементами. Похимичить-то не получится. Максимум перегонять газы из одного сосуда в другой. Однако ученый из Канады Бартлетт проводил опыты с гексафторидом платины PtF₆ при комнатной температуре и получил твердое желто-оранжевое вещество, которое являлось гексафтороплатинатом ксенона Xe[PtF₆]. Мало того, что было доказано, что инертный газ ксенон может участвовать в химических реакциях, так с ним можно проводить и другие химические превращения. Данное открытие в мире химии поначалу было воспринято в штыки. В этот факт не хотели верить.

В 1979 году при действии высокого давления на замороженный ксенон удалось получить его в металлическом состоянии. Он оказался сверхпроводником. Правда температура сверхпроводимости около –266°С.

О применении ксенона вы и сами знаете. Вы, наверное, слышали про ксеноновые лампы автомобилей. В таких лампах светит дуговой разряд в ксеноне, находящемся под высоким давлением. Свет появляется мгновенно после включения. Он очень ярок и его цвет близок к белому. На него можно смотреть только через фильтр, так как глаза не выдерживают таких ярких лучей. Поэтому постепенно ксеноновые фары запрещают, хотя выглядят они очень эффектно. Ксенон, как и криптон, используется в осветительной технике в других областях. Например, где требуется правильная цветопередача, то есть при съемках фильмов. Конечно, их все сильнее вытесняют другие источники света, но порой без ксеноновых ламп не обойтись.

Также соединения ксенона со фтором применяют для хранения и транспортировки самого ксенона и агрессивного фтора.

Радон. Радиоактивный и инертный

Открытие радона происходило несколько раз. Причем каждое новое открытие не опровергало предыдущее, а дополняло его. В период 1900-1904 года Резерфорд и Оуэнс, Рамзай и Содди, Дебьерн, Дорн независимо друг от друга продолжали работы супругов Кюри в области радиоактивности. Все они совершили открытие «нового элемента», обнаружив новые радиоактивные газообразные элементы. Но по факту все они открыли радиоактивные изотопы одного и того же элемента – радона. В те времена не было понятия о нейтронах, протонах и устройстве атома и, в частности, ядра.

Все открытые «новые элементы» имели разные периоды полураспада, по которым их собственно и идентифицировали. Дорн открыл самый долгоживущий изотоп ²²²Rn с периодом полураспада 3,82 дня. Он образуется в цепочке радиоактивного распада ²³⁸U. Резерфорд и Оуэнс открыли изотоп ²²⁰Rn с периодом полураспада 54,5 секунды. Он образуется в цепочке радиоактивного распада тория. Дебьерн тоже открыл члена радиоактивного семейства тория, но изотоп ²¹⁹Rn с периодом полураспада 4 секунды. Так как все они были получены из твердых минералов, то назывались эманациями. Эманирование – это выделение газа твердыми телами. Позже данному элементу было подобрано название радон, которое созвучно с названиями других инертных газов: неон, аргон, криптон, ксенон.

Применение радона обусловлено его свойствами. Так, например, его радиоактивность применяется в медицине. Из этого элемента делают радоновые ванны: в воде растворяют микроколичества радона, а затем пациенты принимают такие ванны. Вдыхать радон небезопасно. Мало того, что он радиоактивен, так и его дочерние продукты деления тоже радиоактивны. Поэтому при приеме ванн воздушное пространство и содержимое ванны разделяют, и пациент не дышит испарениями из воды.

Также было обнаружено, что в подземных водах вблизи землетрясений повышается концентрация радона до самого землетрясения. Этот факт стали применять для прогнозирования землетрясений.

Оганесон. Последний

Это 118-ый и самый последний химический элемент, который удалось синтезировать ученым. Известно про него совсем немного: он относится к инертным газам и обладает радиоактивностью. О химических и физических свойствах говорить сложно, так как в Дубне было получено всего 3 атома оганесона. Хватит пальцев одной руки, чтобы пересчитать, и то, лишние останутся.

Существуют ли элементы после оганесона, например 119, 120 и т. д., пока никто не знает.

118-ый элемент на данный момент является краем науки о веществе. Предполагается, что где-то там возможно существование стабильных изотопов разных элементов. Но это вопрос будущего. Возможно именно ты, дорогой читатель, выучишься на физика-ядерщика и займешься данными исследованиями в научном институте в городе Дубне.

На заметку:

Начиная с висмута, включительно, все элементы до 118-ого имеют только радиоактивные изотопы. Рано или поздно они распадутся с образованием стабильных изотопов других, более легких элементов.

Стоит отметить, что оганесон впервые синтезирован и определен, и был получен именно новый элемент, в научном институте в городе Дубна Московской области коллективом под руководством Юрия Цолаковича Оганесяна. Право давать имя новым открытым элементам дается их первооткрывателям. Коллектив, работавший над его синтезом, выдвинул вариант «оганесон». Здесь отметим, что выдвигаемое название должно быть удобным в произношении практически на всех языках мира. И окончательное решение по присвоению имени принимает международная комиссия из ИЮПАК/IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry/ Международный союз теоретической и прикладной химии).

После долгих обсуждений и неоспоримых доказательств, что 118-ый элемент был получен именно коллективом ученых из Дубны, в 2016 году комиссия ИЮПАК приняла решение утвердить название оганесон. Это второй случай, когда имя новому элементу, названного в честь его первооткрывателя, дают при жизни самого первооткрывателя. Например, Эйнштейн совсем чуть-чуть не дожил до присвоения 99-ому элементу имени эйнштейний.