Текст книги "Увлекательная таблица Менделеева"

Описание элемента натрий

Натрий – мягкий металл, который тускнеет в течение нескольких секунд после контакта с воздухом. Он также активно реагирует с водой. Натрий используется в качестве теплообменника в некоторых ядерных реакторах и в качестве реагента в химической промышленности. Но соли натрия находят большее применение, чем сам металл.

Наиболее распространенным соединением натрия является хлорид натрия (обычная соль). Его добавляют в пищу и используют для удаления льда с дорог зимой. Он также используется в качестве сырья для химической промышленности.

Карбонат натрия (стиральная сода) также является полезной натриевой солью. Его используют в качестве смягчителя воды. Натрий необходим для всех живых существ, и люди знали это с доисторических времен. В нашем организме содержится около 100 граммов, но мы постоянно теряем натрий различными способами, поэтому нам необходимо его восполнять. Мы можем получать весь необходимый нам натрий из пищи, не добавляя ничего лишнего. В среднем человек съедает около 10 граммов соли в день, но все, что нам действительно нужно, – это около 3 граммов. Любой избыток натрия может способствовать повышению кровяного давления. Натрий важен для многих различных функций человеческого организма. Например, он помогает клеткам передавать нервные сигналы и регулировать уровень воды в тканях и крови. Натрий является шестым по распространенности элементом на Земле и составляет 2,6% земной коры. Наиболее распространенным соединением является хлорид натрия. Эта очень растворимая соль выщелачивалась в океаны на протяжении всего существования планеты, но много соляных пластов или «озер» обнаружено там, где испарились древние моря. Он также содержится во многих минералах, включая криолит, цеолит и содалит.

Поскольку натрий настолько реакционноспособен, он никогда не встречается в природе в качестве металла. Металлический натрий получают электролизом сухого расплавленного хлорида натрия.

Соль (хлорид натрия, NaCl) и сода (карбонат натрия, Na2CO3) были известны с доисторических времен, первая использовалась в качестве ароматизатора и консерванта, а вторая – для производства стекла. Соль получают из морской воды, а соду – из долины Натрон в Египте или из золы некоторых растений. Их состав обсуждался ранними химиками, и решение, наконец, пришло из Королевского института в Лондоне в октябре 1807 года, где Хамфри Дэви подвергал каустическую соду (гидроксид натрия, NaOH) воздействию электрического тока и получил шарики металлического натрия, точно так же, как он ранее делал для калия, хотя ему нужно было использовать более сильный ток.

В следующем году Луи-Жозеф Гей-Люссак и Луи-Жак Тенар получили натрий, нагрев до красного цвета смесь каустической соды и железных опилок.

Описание элемента магний

Серебристо-белый металл, который легко воспламеняется на воздухе и горит ярким светом. Плотность магния на треть меньше плотности алюминия. Он улучшает механические, технологические и сварочные характеристики алюминия при использовании в качестве легирующего агента. Эти сплавы полезны в самолетостроении и автомобилестроении.

Магний используется в изделиях, которые отличаются легкостью, таких как автомобильные сиденья, багаж, ноутбуки, фотоаппараты и электроинструменты. Его также добавляют в расплавленный чугун и сталь для удаления серы.

Поскольку магний легко воспламеняется на воздухе и горит ярким светом, его используют в сигнальных ракетах, фейерверках и бенгальских огнях.

Сульфат магния иногда используется в качестве протравы для красителей. Гидроксид магния добавляют в пластмассы, чтобы придать им огнестойкость. Оксид магния используется для изготовления жаростойких кирпичей для каминов и печей. Его также добавляют в корма для крупного рогатого скота и удобрения. Гидроксид магния (магнезиальное молоко), сульфат (английская соль), хлорид и цитрат используются в медицине.

Реагенты Гриньяра представляют собой органические соединения магния, которые важны для химической промышленности. Магний является важным элементом как в растительной, так и в животной жизни. Хлорофилл – это химическое вещество, которое позволяет растениям улавливать солнечный свет и осуществлять фотосинтез. Хлорофилл представляет собой магнийцентрированный порфириновый комплекс. Без магния фотосинтез был бы невозможен, и жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не существовала бы.

У людей магний необходим для работы сотен ферментов. Люди потребляют около 250—350 миллиграммов магния каждый день. У каждого из нас в организме накапливается около 20 граммов, в основном в костях.

Магний является восьмым по распространенности элементом в земной коре, но в природе встречается в несвязанном виде. Он содержится в крупных месторождениях таких минералов, как магнезит и доломит. Море содержит триллионы тонн магния, и это источник большей части из 850 000 тонн, производимых в настоящее время ежегодно. Его получают восстановлением оксида магния кремнием или электролизом расплавленного хлорида магния.

Первым человеком, признавшим, что магний является элементом, был Джозеф Блэк в Эдинбурге в 1755 году. Он отличал магнезию (оксид магния, MgO) от извести (оксид кальция, CaO), хотя и то, и другое было получено путем нагревания аналогичных видов карбонатных пород, магнезита и известняка соответственно. О другом минерале магния, называемом пенкой (силикат магния), сообщил Томас Генри в 1789 году, который сказал, что он широко использовался в Турции для изготовления трубок для курения табака.

Нечистая форма металлического магния была впервые получена в 1792 году Антоном Руппрехтом, который нагревал магнезию с древесным углем. Чистое, но крошечное количество металла было выделено в 1808 году Хамфри Дэви электролизом оксида магния. Однако именно французский ученый Антуан-Александр-Брут Бюсси в 1831 году получил значительное количество металла путем взаимодействия хлорида магния с калием, а затем изучил его свойства.

Описание элемента алюминий

Алюминий – серебристо-белый, легкий металл. Он мягкий и ковкий. Алюминий используется в огромном разнообразии продуктов, включая банки, фольгу, кухонную утварь, оконные рамы, пивные кеги и детали самолетов. Это связано с его особыми свойствами. Он имеет низкую плотность, нетоксичен, обладает высокой теплопроводностью, отличной коррозионной стойкостью и может быть легко отлит, подвергнут механической обработке и формовке. Он также немагнитен и не искрит. Это второй по ковкости металл и шестой по пластичности.

Его часто используют в качестве сплава, поскольку алюминий сам по себе не отличается особой прочностью. Сплавы с медью, марганцем, магнием и кремнием легкие, но прочные. Они очень важны при конструировании самолетов и других видов транспорта.

Алюминий является хорошим электрическим проводником и часто используется в линиях электропередачи. Он дешевле меди, а по весу почти вдвое превосходит проводник.

При испарении в вакууме алюминий образует покрытие с высокой отражающей способностью как для света, так и для тепла. Оно не портится, в отличие от серебряного покрытия. Эти алюминиевые покрытия находят множество применений, включая зеркала для телескопов, декоративную бумагу, упаковки и игрушки.

Биологическая роль алюминия неизвестна. В растворимой +3 форме он токсичен для растений. Кислые почвы составляют почти половину пахотных земель на Земле, и кислотность ускоряет высвобождение Al3 + из содержащихся в нем минералов. В этом случае сельскохозяйственные культуры могут поглощать Al3 +, что приводит к снижению урожайности.

Наш организм усваивает лишь небольшое количество алюминия, поступающего с пищей. К продуктам с содержанием алюминия выше среднего относятся чай, плавленый сыр, чечевица и бисквитные торты (где он поступает из разрыхлителя). Приготовление в алюминиевых кастрюлях не приводит к значительному увеличению его количества в нашем рационе, за исключением кислых продуктов, таких как ревень. Некоторые таблетки от расстройства желудка содержат чистый гидроксид алюминия.

Алюминий может накапливаться в организме, и связь с болезнью Альцгеймера (старческое слабоумие) была предположена, но не доказана.

Алюминий – самый распространенный металл в земной коре (8,1%), но редко встречается в природе в несвязанном виде. Обычно он содержится в таких минералах, как бокситы и криолит. Эти минералы представляют собой силикаты алюминия.

Большая часть коммерчески производимого алюминия извлекается методом Холла—Эру. В этом процессе оксид алюминия растворяется в расплавленном криолите, а затем электролитически восстанавливается до чистого алюминия. Производство алюминия очень энергоемко. 5% вырабатываемой в США электроэнергии используется в производстве алюминия. Однако после изготовления алюминий не подвергается коррозии и может быть легко переработан. Анализ любопытного металлического украшения, найденного в гробнице Чжоу-Чу, военачальника 3-го века в Китае, показал, что оно на 85% состоит из алюминия. Как он был получен, остается загадкой. К концу 1700-х годов было известно, что оксид алюминия содержит металл, но он разрушил все попытки его извлечения. Хамфри Дэви использовал электрический ток для извлечения натрия и калия из их так называемых «земель» (оксидов), но его метод не приводил к выделению алюминия таким же образом. Первым человеком, который произвел его, был Ханс Кристиан Эрстед в Копенгагене, Дания, в 1825 году, и он сделал это, нагрев хлорид алюминия с калием. Несмотря на это, его образец был загрязнен. В 1827 году немецкому химику Фридриху Велеру выпало усовершенствовать метод и впервые получить чистый алюминий, используя натрий вместо калия.

Описание элемента кремний

Сверхчистый элемент представляет собой твердое вещество с серо-голубым металлическим отливом. Кремний – один из самых полезных элементов для человечества. Большая часть используется для изготовления сплавов, включая алюминий-кремний и феррокремний (железо-кремний). Они используются для изготовления пластин динамо-машин и трансформаторов, блоков цилиндров, головок цилиндров и станков, а также для раскисления стали.

Кремний также используется для производства силиконов. Это полимеры различных силоксанов, кремний-кислородных цепей с двумя метильными (или другими органическими) группами, присоединенными к каждому атому кремния. Силиконовое масло является смазкой и добавляется в некоторые косметические средства и кондиционеры для волос. Силиконовая резина находит все большее применение во многих областях производства, от кухонных изделий до деталей автоматики, и используется в качестве водонепроницаемого герметика, например, в ванных комнатах.

Элементарный кремний широко используется в качестве полупроводника в твердотельных устройствах в компьютерной и микроэлектронной промышленности. Для этого необходим сверхчистый кремний. Кремний избирательно легирован крошечными количествами бора, галлия, фосфора или мышьяка для контроля его электрических свойств.

Гранит и большинство других горных пород содержат большое разнообразие сложных силикатных минералов, а также кремнезем (двуокись кремния). Песок, богатый кремнеземом, а также некоторые глинистые минералы (гидрофильные алюмосиликаты) являются важными ингредиентами для изготовления бетона. Песок с почти чистым кремнеземом, относительно редкий, является основой для многих видов стекла. Кремний в виде силиката присутствует в керамике, эмалях и высокотемпературной керамике.

Карбиды кремния являются важными абразивами и также используются в лазерах.

Кремний необходим для жизни растений, но его использование в клетках животных сомнительно. Фитолиты – это крошечные частицы кремнезема, которые образуются в некоторых растениях. Поскольку эти частицы не гниют, они остаются в окаменелостях и предоставляют нам полезные свидетельства эволюции.

Кремний нетоксичен, но некоторые силикаты, такие как асбест, канцерогенны. У рабочих, таких как шахтеры и камнерезы, которые подвергаются воздействию кремнистой пыли, может развиться серьезное заболевание легких, называемое силикозом. Кремний составляет 27,7% земной коры по массе и является вторым по распространенности элементом (первым является кислород). Он не встречается в природе в несвязанном виде, но встречается в основном в виде оксида (кремнезема) и силикатов. В состав оксида входят песок, кварц, горный хрусталь, аметист, агат, кремень и опал. Силикатная форма включает асбест, гранит, роговую обманку, полевой шпат, глину и слюду.

Элементарный кремний получают промышленным способом путем восстановления песка углеродом в электрической печи. Высокочистый кремний для электронной промышленности получают путем термического разложения сверхчистого трихлорсилана с последующей перекристаллизацией.

Кремнезем (SiO2) в виде острых кремней был одним из первых инструментов, изготовленных человеком. Древние цивилизации использовали другие формы кремнезема, такие как горный хрусталь, и знали, как превращать песок в стекло. Учитывая обилие кремния, несколько удивительно, что он не вызывал особого любопытства у первых химиков.

Попытки восстановить кремний до его компонентов методом электролиза потерпели неудачу. В 1811 году Жозеф Гей Люссак и Луи Жак Тенар вступили в реакцию тетрахлорида кремния с металлическим калием и получили некоторую очень нечистую форму кремния. Заслуга в открытии кремния действительно принадлежит шведскому химику Йонсу Якобу Берцелиусу из Стокгольма, который в 1824 году получил кремний путем нагревания фторсиликата калия с калием. Продукт был загрязнен силицидом калия, но он удалил его, размешав с водой, с которой он вступает в реакцию, и таким образом получил относительно чистый порошок кремния.

Описание элемента фосфор

Двумя основными формами фосфора являются белый фосфор и красный фосфор. Белый фосфор представляет собой ядовитое воскообразное твердое вещество, контакт с которым на коже может вызвать сильные ожоги. Он светится в темноте и самовоспламеняется при контакте с воздухом. Красный фосфор – аморфное нетоксичное твердое вещество. Белый фосфор используется в сигнальных ракетах и зажигательных устройствах. Красный фосфор содержится в материале, наклеенном на боковую сторону спичечных коробков, о который чиркают безопасные спички для их зажигания.

На сегодняшний день соединения фосфора широко используются в качестве удобрений. Фосфат аммония получают из фосфатных руд. Руды сначала превращают в фосфорные кислоты, а затем в фосфат аммония.

Фосфор также важен при производстве стали. Фосфаты входят в состав некоторых моющих средств, но в некоторых странах от них начинают постепенно отказываться. Это связано с тем, что они могут приводить к высокому содержанию фосфатов в природных источниках воды, вызывая рост нежелательных водорослей. Фосфаты также используются в производстве специальных стаканов и изысканной фарфоровой посуды.

Фосфор необходим для всех живых существ. Он образует сахаро-фосфатную основу ДНК и РНК. Он важен для передачи энергии в клетках в составе АТФ (аденозинтрифосфата) и содержится во многих других биологически важных молекулах. Мы потребляем около 1 грамма фосфата в день и накапливаем в организме около 750 граммов, поскольку наши кости и зубы в основном состоят из фосфата кальция. Чрезмерное использование фосфатов из удобрений и моющих средств может привести к загрязнению рек и озер, что приведет к быстрому росту водорослей. Водоросли блокируют свет, останавливая дальнейший фотосинтез. Растворенный в воде кислород вскоре израсходуется, и озеро погибнет.

Фосфор не встречается в природе в несвязанном виде, но широко встречается в виде соединений в минералах. Важным источником является фосфоритная порода, которая содержит минералы апатит и встречается в больших количествах в США и других странах. Есть опасения, что «пик фосфора» придется примерно на 2050 год, после чего наши источники иссякнут.

Белый фосфор получают промышленным способом путем нагревания фосфатной породы в присутствии углерода и кремнезема в печи. При этом фосфор образуется в виде пара, который затем собирается под водой. Красный фосфор получают путем осторожного нагревания белого фосфора примерно до 250° C в отсутствие воздуха.

Впервые фосфор был получен Хеннигом Брандтом в Гамбурге в 1669 году, когда он выпарил мочу и нагревал остаток до тех пор, пока он не раскалился докрасна, после чего перегнал пары фосфора, которые он собрал путем конденсации в воде. Брандт держал свое открытие в секрете, думая, что обнаружил Философский камень, который может превращать неблагородные металлы в золото. Когда у него закончились деньги, он продал фосфор Дэниелу Крафту, который выставлял его по всей Европе, включая Лондон, где им был очарован Роберт Бойл. Он обнаружил, как его получают, и систематически исследовал. Его помощник Эмброуз Годфри открыл собственное дело по производству и продаже фосфора и разбогател.

Когда стало понятно, что кость представляет собой фосфат кальция и может быть использована для получения фосфора, он стал более доступным. Спрос со стороны производителей спичек в 1800-х годах обеспечил готовый рынок.

Описание элемента сера

Существует несколько форм серы. Наиболее распространенная имеет вид желтых кристаллов или порошка. Сера используется при вулканизации черного каучука, в качестве фунгицида и в производстве черного пороха. Однако большая часть серы используется в производстве серной кислоты, которая, возможно, является самым важным химическим веществом, производимым западными цивилизациями. Наиболее важным из множества применений серной кислоты является производство фосфорной кислоты для получения фосфатов для удобрений.

Меркаптаны представляют собой семейство сероорганических соединений. Некоторые из них добавляют в природный газ из-за их характерного запаха, так что утечку газа можно легко обнаружить. Другие используются для полировки серебра, а также в производстве пестицидов и гербицидов.

Сульфиты используются для отбеливания бумаги и в качестве консервантов для многих пищевых продуктов. Многие поверхностно-активные вещества и детергенты являются производными сульфата. Ежегодно добывается 100 миллионов тонн сульфата кальция (гипса) для производства цемента и штукатурки.

Сера необходима для всего живого. Растения и водоросли усваивают ее в виде сульфата из почвы (или морской воды). Она используется для производства двух незаменимых аминокислот, необходимых для производства белков. Она также необходима для некоторых коферментов. В среднем человек содержит 140 граммов серы и потребляет около 1 грамма в день, в основном в виде белков.

Сера и сульфат не токсичны. Однако сероуглерод, сероводород и диоксид серы токсичны. Сероводород особенно опасен и может вызвать смерть от паралича дыхания.

Диоксид серы образуется при сжигании угля и неочищенной нефти. Диоксид серы в атмосфере вызывает кислотные дожди. Это может привести к вымиранию озер, частично из-за того, что токсичные соли алюминия становятся растворимыми, так что они поглощаются живыми существами. Сера встречается в природе в виде элемента, часто в вулканических районах. Традиционно она была основным источником для использования человеком. Она также широко содержится во многих минералах, включая железный колчедан, галенит, гипс и английскую соль.

Когда-то элементарную серу добывали в промышленных масштабах из скважин с помощью процесса Фраша. Это включало нагнетание перегретого пара в подземные отложения для расплавления серы, чтобы ее можно было выкачивать на поверхность в жидком виде.

Современное производство серы почти полностью основано на различных процессах очистки, используемых для удаления серы из природного газа, нефти и битуминозных песков. Все живые организмы содержат серу, и при окаменении (например, в ископаемом топливе) сера остается. При сжигании неочищенного ископаемого топлива диоксид серы может попасть в атмосферу, что приведет к кислотным дождям.

Сера упоминается 15 раз в Библии и была наиболее известна тем, что разрушила Содом и Гоморру. Она также была известна древним грекам и использовалась в качестве фумиганта. Серу добывали недалеко от горы Этна на Сицилии и использовали для отбеливания тканей и консервирования вина, причем оба процесса включали ее сжигание с образованием диоксида серы, который впитывался влажной одеждой или виноградным соком. На протяжении веков сера, наряду с ртутью и солью, считалась компонентом всех металлов и составляла основу алхимии, посредством которой один металл мог быть преобразован в другой.

Антуан Лавуазье считал серу элементом, но в 1808 году Хамфри Дэви сказал, что она содержит водород. Однако его образец был загрязнен, и когда Луи-Жозеф Гей-Люссак и Луи-Жак Тенар в следующем году доказали, что это элемент, Дэви в конце концов согласился.