А. Б. Иванов
Химические элементы

Полная версия

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.

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.