Читать онлайн Увлекательная таблица Менделеева бесплатно

Как рождалась таблица Менделеева

В середине 1700-х химики начали активно идентифицировать элементы, которые представляют собой вещества, состоящие всего из одного вида атомов. Но столетие спустя они все еще использовали множество символов и сокращений для обозначения различных материалов – просто не было общей лексики. В 1869 году русский химик Дмитрий Менделеев получил известность благодаря своей табличной схеме известных элементов. Этот список основных ингредиентов, из которых состоит все вещество, стал известен как периодическая таблица. Вот что особенно удивительно: в таблице Менделеева отведены места для элементов, которые еще не были открыты. Для некоторых из этих недостающих частей он предсказал, какими будут их атомные массы и другие химические свойства. Позже, когда ученые открыли элементы, которые ожидал увидеть Менделеев, мир получил представление о великолепии периодической системы.

Менделеев родился в 1834 году на крайнем западе Российской Сибири, младшим из дюжины детей. Его семья сталкивалась с одним кризисом за другим. Когда Дмитрий был маленьким, его отец, учитель, ослеп, а мать пошла работать. Она стала менеджером успешного стекольного завода. Трагедия повторилась в 1848 году, когда фабрика сгорела дотла, и семья оказалась в бедности. Мать Менделеева была полна решимости дать ему образование и для этого проехала с ним большое расстояние – в Москву, а затем в Санкт-Петербург. Через десять дней после того, как он поступил в школу, его мать умерла от туберкулеза, болезни, которая также унесла его отца, по крайней мере, одного из его братьев и сестер, и с которой сам Менделеев боролся в юности.

В 1861 году Менделеев вернулся в Россию после исследований в Европе, а позже преподавал в Техническом институте в Санкт-Петербурге. Он обнаружил, что лишь немногие из новых разработок в области химии добрались до его родины – то, что он был полон решимости изменить, с энтузиазмом читая лекции о последних достижениях. Ему было всего 27 лет, но он культивировал образ эксцентрика, с развевающейся бородой и длинными растрепанными волосами, которые, как было известно, он подстригал только раз в год. Тем не менее, он был популярным профессором.

Менделеев признал, что современного учебника по современной органической химии (посвященного соединениям углерода, включая живые организмы) не существует, поэтому он написал один. Его Органическая химия (1861) считалась самой авторитетной книгой своего времени по этому предмету. Но профессор с болью осознавал, что многие из его студентов «не могли следовать» за ним, как заметил один студент. Менделеев знал, что критической причиной трудностей понимания химии людьми было отсутствие какой-либо четкой системы классификации известных элементов. Без нее он мог бы предложить только сведения о конкретных строительных блоках материи, но не структуру, которая объясняла бы взаимосвязи между различными веществами.

В 1867 году, когда Менделеев начал писать «Принципы химии», он задался целью упорядочить и объяснить элементы. Он начал с того, что назвал «типичными» элементами: водородом, кислородом, азотом и углеродом. Эти вещества демонстрировали естественный порядок для самих себя. Затем он включил галогены, которые имели низкий атомный вес, легко реагировали с другими элементами и были легко доступны в природе. Он начал с использования атомных весов как принципа организации, но сами по себе они не представляли четкой системы.

В то время элементы обычно группировались двумя способами: либо по их атомному весу, либо по их общим свойствам, например, были ли они металлами или газами. Прорыв Менделеева заключался в том, что он увидел, что эти два понятия можно объединить в единой структуре.

Говорят, что Менделеева вдохновила карточная игра, известная в Северной Америке как пасьянс, а в других странах – как «терпение». В игре карты расположены как по масти по горизонтали, так и по номеру по вертикали. Чтобы навести некоторый порядок в своем изучении химических элементов, Менделеев составил набор карточек, по одной для каждого из 63 известных на то время элементов. Менделеев записал атомный вес и свойства каждого элемента на карточке.

Он брал карты с собой повсюду, куда бы ни пошел. 17 февраля 1869 года, сразу после завтрака, чтобы успеть на поезд позже тем же утром, Менделеев приступил к упорядочиванию элементов с помощью своих карт. Он продолжал в течение трех дней и ночей, забыв о поезде и постоянно расставляя карточки в различных последовательностях, пока не заметил некоторые пробелы в порядке указания атомной массы.

Как гласит одна история, Менделеев, измученный трехдневными усилиями, заснул. Позже он вспоминал: Я видел во сне таблицу, где все элементы располагались по своим местам, как требовалось. Проснувшись, я сразу же записал это на листе бумаги. Он назвал свое открытие периодической таблицей элементов.

После своего сна Менделеев нарисовал таблицу, которую он себе представлял. Раскладывая эти таблицы с атомными данными, Менделеев открыл то, что называется периодическим законом. Когда Менделеев расположил элементы в порядке увеличения атомной массы, свойства повторились. Поскольку свойства регулярно или периодически повторялись на его таблице, система стала известна как периодическая таблица.

При составлении своей таблицы Менделеев не полностью придерживался порядка атомной массы. Он поменял местами некоторые элементы. (Теперь мы знаем, что не все элементы в периодической таблице расположены в порядке атомной массы.) Хотя он и не знал об этом, Менделеев на самом деле расположил элементы в порядке возрастания атомного номера, числа, представляющего количество положительно заряженных протонов в атоме (также количество отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг атома).

Менделеев пошел еще дальше. Он скорректировал известные атомные массы некоторых элементов и использовал закономерности в своей таблице, чтобы предсказать свойства элементов, которые, по его мнению, должны были существовать, но еще не были открыты. Он оставил пустые места в своей таблице в качестве заполнителей для обозначения этих неизвестных элементов. Когда промежуток находился в середине триады или трех элементов, обладающих схожими характеристиками, он угадывал атомную массу гипотетического элемента, атомный номер и другие свойства. Затем он назвал их с помощью приставки эка, что на санскрите означает «первый». Например, предсказанный элемент, обозначенный как «эка-алюминий», он располагался ниже известного элемента алюминия. Позже он был идентифицирован как галлий.

Галлий, германий и скандий были неизвестны в 1871 году, но Менделеев оставил пробелы для каждого из них и предсказал их атомные массы и другие химические свойства. В течение 15 лет были обнаружены «недостающие» элементы, соответствующие основным характеристикам, записанным Менделеевым. Точность этих предсказаний привела к принятию периодической таблицы.

Менделеев не разрабатывал периодическую таблицу полностью самостоятельно; он унаследовал и развил знания, которые были переданы многими химиками, посвятившими свою жизнь исследованию материи. В начале 1800-х годов было известно около 30 элементов, и хотя химики знали, что некоторые из этих элементов действуют сходным образом или имеют сходные характеристики, никто не нашел общей, общепринятой закономерности в их поведении.

В 1860 году ученые встретились на одной из первых международных химических конференций. Они решили, что водороду, самому легкому элементу, присвоить вес 1. Вес всех других элементов можно сравнить с весом атома водорода. Это означает, что если элемент в восемь раз тяжелее водорода, его вес равен 8. Концепция систематической меры атомного веса в значительной степени способствовала успеху периодической таблицы Менделеева.

В 1864 году, когда было известно около 50 элементов, британский химик Джон Ньюлендс заметил закономерность, когда он расположил элементы в порядке атомной массы, или веса. Он обнаружил, что свойства элементов, казалось, повторяют каждый восьмой элемент. Он назвал это Законом октав, сравнив его с музыкальными гаммами. Его идеи были отвергнуты, и его коллеги шутили, что с таким же успехом он мог расположить элементы в алфавитном порядке. После кальция (20 в сегодняшней периодической таблице) порядок Ньюлендса нарушился. Он сгруппировал очень нереактивный металл медь в ту же группу, что и высокореактивные элементы литий, натрий и калий. Далеко в России Менделеев не знал о Ньюлендсе.

Как это часто бывает в научных разработках, другой исследователь примерно в то же время пришел к той же теории, что и Менделеев. В 1870 году немецкий химик Юлиус Лотар Мейер опубликовал статью, описывающую ту же организацию элементов, что и у Менделеева. У обоих ученых было схожее образование: они учились в Гейдельберге, Германия, в лаборатории химика Роберта Бунзена. Оба присутствовали в сентябре 1860 года на первом международном химическом конгрессе в Карлсруэ, Германия. На конгрессе обсуждалась необходимость создания общей системы измерения веса различных элементов. И оба химика были преподавателями, работавшими над учебниками для своих студентов.

Справедливо ли было, что Менделеев получил все заслуги за периодическую таблицу, в то время как Мейер оставался неизвестным. Возможно, это произошло потому, что Менделеев, уверенный в своей теории, опубликовал свои открытия первым.

Как бы то ни было, периодическая таблица Менделеева с заполнителями, стратегически сохраненными для предстоящих открытий, обеспечила бесценную основу для классификации строительных блоков материи. Отведенные им места также отражали уверенность в постоянном поиске знаний.

Периодическая таблица не сразу оказала влияние на область химии, хотя ситуация изменилась с открытием первого недостающего элемента, галлия, в 1875 году. Все его качества соответствуют тем, которые Менделеев предвидел для элемента, который он назвал эка-алюминий.

Периодическая таблица Менделеева, каким бы бесценным справочным инструментом она ни была, оставляла много возможностей для открытий и усовершенствований. В 1890-х годах была обнаружена совершенно новая и неожиданная группа элементов: благородные газы. Они были добавлены в таблицу в виде отдельной колонки. Гелий, второй по распространенности элемент во Вселенной, не был найден на Земле до 1895 года. С тех пор было открыто еще около 60 элементов, а другие, возможно, все еще ждут своего открытия.

Под смежной периодической таблицей вы можете увидеть две строки, известные как «лантаноиды» (атомные номера 57—71) и «актиноиды» (атомные номера 89—103), названные в честь первых, крайних слева членов их групп. По мере того, как ученые находили более тяжелые элементы и начали создавать еще больше, новые элементы были разделены, чтобы сохранить целостную форму таблицы.

По состоянию на 2012 год периодическая таблица содержит в общей сложности 118 элементов. Некоторые элементы были названы в честь ученых, например, атомный номер 99, эйнштейний, в честь Альберта Эйнштейна. Резерфордий, атомный номер 104, назван в честь физика Эрнеста Резерфорда, разработавшего современную модель атома. Атомный номер 101, менделевий, назван в честь составителя периодической таблицы.

Периодическая таблица Менделеева представила новую парадигму, в которой все элементы расположены в логической матрице. Элементы расположены в виде ряда строк, называемых «периодами», так что элементы с аналогичными свойствами отображаются в вертикальных столбцах. Каждая вертикальная колонка называется «группой», или семейством, элементов. Это мгновенно показывает один набор взаимосвязей, если читать сверху вниз, и другой, если читать из стороны в сторону. В некоторых группах есть элементы, обладающие очень похожими свойствами, такими как их внешний вид и поведение. Например, у каждого элемента есть своя точка плавления и кипения, температуры, при которых он переходит из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное. Еще одной характеристикой является то, насколько «реактивен» элемент, то есть насколько быстро он соединяется с другими элементами. Ученые распознают, как элемент будет реагировать, исходя из его расположения на столе.

Элементы известны по атомному символу из одной или двух букв. Например, атомный символ золота – «Au», название атома – «gold», а его атомный номер – 79. Чем выше атомный номер, тем считается, что элемент «тяжелее».

Водород равен 1 в периодической таблице, в верхнем левом углу. Его атомный номер равен 1; его ядро содержит один протон и один электрон. Около 98 процентов Вселенной состоит из двух самых легких элементов – водорода и гелия.

Описание элемента водород

Бесцветный газ без запаха. У него самая низкая плотность из всех газов. Некоторые рассматривают газообразный водород как чистое топливо будущего, которое образуется из воды и возвращается в воду при окислении. Топливные элементы, работающие на водороде, все чаще рассматриваются как «экологически чистые» источники энергии и в настоящее время используются в некоторых автобусах и автомобилях.

У водорода также есть много других применений. В химической промышленности он используется для производства аммиака для сельскохозяйственных удобрений (процесс Хабера), а также циклогексана и метанола, которые являются промежуточными продуктами в производстве пластмасс и фармацевтических препаратов. Он также используется для удаления серы из топлива в процессе переработки нефти. Большое количество водорода используется для гидрогенизации масел с образованием жиров, например, для производства маргарина.

В стекольной промышленности водород используется в качестве защитной атмосферы для изготовления плоских стеклянных листов. В электронной промышленности он используется в качестве промывочного газа при производстве кремниевых чипов.

Низкая плотность водорода сделала его естественным выбором для одного из первых практических применений – наполнения воздушных шаров и дирижаблей. Однако он активно реагирует с кислородом (с образованием воды), и его будущее в качестве наполнителя дирижаблей закончилось, когда загорелся дирижабль «Гинденбург».

Водород является важным элементом для жизни. Он присутствует в воде и почти во всех молекулах живых организмов. Однако сам водород не играет особо активной роли. Он остается связанным с атомами углерода и кислорода, в то время как химия жизни протекает в более активных центрах, включающих, например, кислород, азот и фосфор.

Водород, несомненно, самый распространенный элемент во вселенной. Он содержится на солнце и большинстве звезд, а планета Юпитер состоит в основном из водорода.

На Земле водород содержится в наибольших количествах в виде воды. В виде газа он присутствует в атмосфере лишь в крошечных количествах – менее 1 части на миллион по объему. Любой водород, который попадает в атмосферу, быстро выходит из-под действия земного притяжения в открытый космос.

Большая часть водорода образуется при нагревании природного газа с водяным паром с образованием синтез-газа (смеси водорода и монооксида углерода). Синтез-газ отделяется с получением водорода. Водород также может быть получен электролизом воды.

В начале 1500-х годов алхимик Парацельс заметил, что пузырьки, выделяющиеся при добавлении железных опилок в серную кислоту, легко воспламеняются. В 1671 году Роберт Бойль сделал то же наблюдение. Ни один из них не последовал за открытием водорода, и поэтому заслуга принадлежит Генри Кавендишу. В 1766 году он собрал пузырьки и показал, что они отличаются от других газов. Позже он показал, что при сгорании водорода образуется вода, тем самым положив конец вере в то, что вода является элементом. Антуан Лавуазье дал газу название hydro-gen, что означает «образующий воду».

В 1931 году Гарольд Юри и его коллеги из Колумбийского университета в США обнаружили вторую, более редкую форму водорода. Масса этого элемента в два раза превышает массу обычного водорода, и они назвали его дейтерием.

Описание элемента гелий

Газ без цвета и запаха. Гелий используется в качестве охлаждающей среды для Большого адронного коллайдера (БАК) и сверхпроводящих магнитов в МРТ-сканерах и ЯМР-спектрометрах. Он также используется для охлаждения спутниковых приборов и использовался для охлаждения жидкого кислорода и водорода, которые питали космические аппараты Apollo.

Из-за своей низкой плотности гелий часто используется для наполнения декоративных шаров, метеозондов и дирижаблей. Когда-то для наполнения воздушных шаров использовался водород, но он опасно реакционноспособен.

Поскольку он очень неактивен, гелий используется для создания инертной защитной атмосферы при изготовлении волоконной оптики и полупроводников, а также при дуговой сварке. Гелий также используется для обнаружения утечек, например, в системах кондиционирования воздуха автомобилей, а поскольку он быстро рассеивается, его используют для наполнения автомобильных подушек безопасности после удара.

Смесь из 80% гелия и 20% кислорода используется в качестве искусственной атмосферы для глубоководных дайверов и других лиц, работающих под давлением.

Гелий-неоновые газовые лазеры используются для сканирования штрих-кодов в кассах супермаркетов. Новое применение гелия – гелий-ионный микроскоп, который дает лучшее разрешение изображения, чем сканирующий электронный микроскоп.

После водорода гелий является вторым по распространенности элементом во Вселенной. Он присутствует во всех звездах. Он образовался и до сих пор образуется в результате распада радиоактивных элементов на Земле альфа-частицами. Часть образующегося гелия попадает в атмосферу, которая содержит около 5 частей на миллион по объему. Это динамический баланс, при котором гелий низкой плотности постоянно выходит в открытый космос.

Извлекать гелий из воздуха неэкономично. Основным источником является природный газ, который может содержать до 7% гелия.

В 1868 году Пьер Дж. К. Янссен отправился в Индию, чтобы измерить солнечный спектр во время полного затмения, и заметил новую желтую линию, обозначавшую новый элемент. Джозеф Норман Локьер зафиксировал ту же линию, наблюдая за солнцем сквозь лондонский смог, и, предположив, что новый элемент является металлом, назвал его гелием.

В 1882 году итальянец Луиджи Пальмиери обнаружил ту же линию спектра газов, испускаемых Везувием, что и американец Уильям Хиллебранд в 1889 году, когда он собрал газ, выделяемый минералом уранинитом (UO2) при растворении в кислоте. Однако именно Пер Теодор Клив и Нильс Абрахам Лангер в Уппсале, Швеция, в 1895 году повторили этот эксперимент и подтвердили, что это гелий, и измерили его атомный вес.

Описание элемента литий

Литий был обнаружен из минерала, в то время как другие распространенные щелочные металлы были обнаружены из растительного сырья. Считается, что это объясняет происхождение названия элемента; от «литос» (по-гречески «камень»). Изображение основано на алхимическом символе камня.

Мягкий серебристый металл. У него самая низкая плотность из всех металлов. Он активно реагирует с водой.

Наиболее важное применение лития – в перезаряжаемых батареях для мобильных телефонов, ноутбуков, цифровых фотоаппаратов и электромобилей. Литий также используется в некоторых неперезаряжаемых батареях для таких вещей, как кардиостимуляторы, игрушки и часы.

Металлический литий получают из сплавов с алюминием и магнием, повышающих их прочность и делающих их легче. Магниево-литиевый сплав используется для покрытия брони. Алюминиево-литиевые сплавы используются в самолетах, велосипедных рамах и высокоскоростных поездах.

Оксид лития используется в специальных стеклах и стеклокерамике. Хлорид лития является одним из наиболее гигроскопичных известных материалов и используется в системах кондиционирования воздуха и промышленной сушки (как и бромид лития). Стеарат лития используется в качестве универсальной высокотемпературной смазки. Карбонат лития используется в лекарствах для лечения маниакально-депрессивного психоза, хотя его действие на мозг до сих пор до конца не изучено. Гидрид лития используется как средство хранения водорода для использования в качестве топлива.

Литий в природе не встречается в виде металла, но в небольших количествах содержится почти во всех магматических породах и в водах многих минеральных источников. Сподумен, петалит, лепидолит и амблигонит являются наиболее важными минералами, содержащими литий.

Большая часть лития в настоящее время производится в Чили из рассолов, которые при обработке карбонатом натрия дают карбонат лития. Металл получают электролизом расплавленного хлорида лития и хлорида калия.

Первый минерал лития – петалит, LiAlSi4O10, был обнаружен на шведском острове Уто бразильцем Жозе Бонифацио де Андральда-э-Сильва в 1790-х годах. Было замечено, что при попадании в огонь он дает интенсивное малиновое пламя. В 1817 году Йохан Август Арфведсон из Стокгольма проанализировал его и пришел к выводу, что он содержит ранее неизвестный металл, который он назвал литием. Он понял, что это новый щелочной металл и более легкая версия натрия. Однако, в отличие от натрия, он не смог выделить его электролизом. В 1821 году Уильям Бранде получил таким образом небольшое количество, но недостаточное для проведения измерений. Только в 1855 году немецкий химик Роберт Бунзен и британский химик Август Маттиссен получили его в больших количествах путем электролиза расплавленного хлорида лития.

Описание элемента берилий

Бериллий используется в шестернях и винтиках, особенно в авиационной промышленности. Бериллий – серебристо-белый металл. Он относительно мягкий и имеет низкую плотность.

Бериллий используется в сплавах с медью или никелем для изготовления гироскопов, пружин, электрических контактов, электродов для точечной сварки и неискрящих инструментов. Смешивание бериллия с этими металлами повышает их электрическую и теплопроводность.

Другие сплавы бериллия используются в качестве конструкционных материалов для высокоскоростных самолетов, ракет, космических аппаратов и спутников связи.

Бериллий относительно прозрачен для рентгеновских лучей, поэтому ультратонкая бериллиевая фольга находит применение в рентгеновской литографии. Бериллий также используется в ядерных реакторах в качестве отражателя или замедлителя нейтронов.

Оксид имеет очень высокую температуру плавления, что делает его полезным в ядерных исследованиях, а также в керамике.

Бериллий и его соединения токсичны и канцерогенны. Вдыхание пыли или паров бериллия может привести к неизлечимому воспалению легких, называемому бериллиозом.

Бериллий содержится примерно в 30 различных видах минералов. Наиболее важными являются берилл (алюмосиликат бериллия) и бертрандит (силикат бериллия). Изумруд и аквамарин являются драгоценными формами берилла.

Металл обычно получают восстановлением фторида бериллия металлическим магнием.

Драгоценные камни берилл и изумруд представляют собой формы алюмосиликата бериллия, Be3Al2 (SiO3) 6. Французский минералог Аббат Рене-Жюст Ои подумал, что в них может содержаться новый элемент, и попросил Николаса Луи Воклена проанализировать их. Он понял, что в них содержится новый металл, и исследовал его. В феврале 1798 года Воклен объявил о своем открытии во Французской академии и назвал элемент глауциний (греч. glykys – сладкий), потому что его соединения были сладкими на вкус. Другие предпочитали название бериллий, основанное на драгоценном камне, и теперь это официальное название.

Металлический бериллий был выделен в 1828 году Фридрихом Велером в Берлине и независимо Антуаном-Александром-Брутом Бюсси в Париже, оба они извлекли его из хлорида бериллия (BeCl2) путем взаимодействия с калием.

Описание элемента бор

Чистый бор представляет собой темный аморфный порошок. Аморфный бор используется в качестве воспламенителя ракетного топлива и в пиротехнических сигнальных ракетах. Он придает сигнальным ракетам характерный зеленый цвет.

Наиболее важными соединениями бора являются борная кислота, бура (борат натрия) и оксид бора. Его можно найти в глазных каплях, мягких антисептиках, стиральных порошках и глазури для плитки. Раньше буру использовали для производства отбеливателя и в качестве консерванта для пищевых продуктов.

Оксид бора также широко используется в производстве боросиликатного стекла (Пирекс). Он делает стекло прочным и термостойким. Текстиль и изоляция из стекловолокна изготавливаются из боросиликатного стекла.

Октаборат натрия является антипиреном.

Изотоп бор-10 хорошо поглощает нейтроны. Это означает, что его можно использовать для регулирования ядерных реакторов. Он также играет важную роль в приборах, используемых для обнаружения нейтронов.

Бор необходим для клеточных стенок растений. Он не считается ядовитым для животных, но в больших дозах может нарушать обмен веществ в организме. Мы потребляем около 2 миллиграммов бора каждый день с пищей и около 60 граммов за всю жизнь. Некоторые соединения бора изучаются в качестве возможного средства лечения опухолей головного мозга.

Бор встречается в виде ортоборной кислоты в некоторых водах вулканических источников и в виде боратов в минералах буре и колеманите. Обширные месторождения буры обнаружены в Турции. Однако, безусловно, наиболее важным источником бора является разорит. Он находится в пустыне Мохаве в Калифорнии, США.

Бор высокой чистоты получают восстановлением трихлорида или трибромида бора водородом на электрически нагретых нитях. Загрязненный или аморфный бор можно получить путем нагревания триоксида с порошком магния.

На протяжении веков единственным источником буры, Na2B2O5 (OH) 4, были кристаллизованные отложения озера Ямдок Чо в Тибете. Он использовался ювелирами в качестве флюса.

В 1808 году Луи-Жозеф Гей-Люссак и Луи-Жак Тенар, работающие в Париже, и сэр Хамфри Дэви в Лондоне, независимо извлекли бор путем нагревания буры с металлическим калием. Фактически, ни один из них не произвел чистый элемент, получить который практически невозможно. Более чистый тип бора был выделен в 1892 году Анри Муассаном. В конечном итоге Э. Вайнтрауб в США получил абсолютно чистый бор путем зажигания смеси хлорида бора, паров BCl3 и водорода. Было обнаружено, что полученный таким образом материал бор обладает свойствами, сильно отличающимися от тех, о которых сообщалось ранее.

Описание элемента углерод

Существует ряд чистых форм этого элемента, включая графит, алмаз, фуллерены и графен.

Алмаз – бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество и самый твердый из известных материалов. Графит черный и блестящий, но мягкий. Наноформы, фуллерены и графен, выглядят как черные или темно-коричневые порошки, похожие на сажу.

Углерод уникален среди элементов своей способностью образовывать прочно связанные цепочки, изолированные атомами водорода. Эти углеводороды, добываемые естественным путем в виде ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа), в основном используются в качестве топлива. Небольшая, но важная фракция используется в качестве сырья для нефтехимической промышленности, производящей полимеры, волокна, краски, растворители, пластмассы и т. д.

Загрязненный углерод в виде древесного угля (из древесины) и кокса (из угля) используется при выплавке металлов. Это особенно важно в черной металлургии.

Графит используется в карандашах, для изготовления кисточек в электродвигателях и в облицовке печей. Активированный уголь используется для очистки и фильтрации. Его можно найти в респираторах и кухонных вытяжках.

Углеродное волокно находит множество применений как очень прочный, но легкий материал. В настоящее время оно используется в теннисных ракетках, лыжах, удочках, ракетах и самолетах.

Промышленные алмазы используются для резки горных пород и бурения. Алмазные пленки используются для защиты поверхностей, таких как лезвия для бритья.

Недавнее открытие углеродных нанотрубок, других фуллеренов и атом-тонких листов графена произвело революцию в разработке оборудования в электронной промышленности и в нанотехнологиях в целом.

150 лет назад естественная концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляла 280 частей на миллион. В 2013 году в результате сжигания ископаемого топлива с кислородом она составляла 390 частей на миллион. Атмосферный углекислый газ пропускает видимый свет, но предотвращает утечку некоторого количества инфракрасного излучения (естественный парниковый эффект). Благодаря этому на Земле остается достаточно тепла для поддержания жизни. Однако усиливается парниковый эффект из-за вызванного человеком повышения содержания углекислого газа в атмосфере. Это влияет на живые организмы по мере изменения нашего климата.

Углерод необходим для жизни. Это потому, что он способен образовывать огромное разнообразие цепочек разной длины. Когда-то считалось, что молекулы жизни на основе углерода могут быть получены только из живых организмов. Считалось, что они содержат «искру жизни». Однако в 1828 году из неорганических реагентов была синтезирована мочевина, и разделы органической и неорганической химии были объединены.

Живые существа получают почти весь свой углерод из углекислого газа либо из атмосферы, либо растворенного в воде. Фотосинтез зеленых растений и фотосинтезирующий планктон использует энергию солнца для расщепления воды на кислород и водород. Кислород выделяется в атмосферу, пресную воду и моря, а водород соединяется с углекислым газом с образованием углеводов.

Некоторые углеводы используются, наряду с азотом, фосфором и другими элементами, для образования других мономерных молекул жизни. К ним относятся основания и сахара для РНК и ДНК, а также аминокислоты для белков.

Живые существа, которые не осуществляют фотосинтез, вынуждены полагаться на потребление других живых существ в качестве источника молекул углерода. Их пищеварительная система расщепляет углеводы на мономеры, которые они могут использовать для построения собственных клеточных структур. Дыхание обеспечивает энергию, необходимую для этих реакций. При дыхании кислород присоединяется к углеводам, снова образуя углекислый газ и воду. Энергия, выделяющаяся в ходе этой реакции, становится доступной для клеток.

Углерод содержится на солнце и других звездах, образовался из обломков предыдущей сверхновой. Он образуется в результате ядерного синтеза в более крупных звездах.

Он присутствует в атмосферах многих планет, обычно в виде углекислого газа. На Земле концентрация углекислого газа в атмосфере в настоящее время составляет 390 частей на миллион и продолжает расти.

Графит встречается в природе во многих местах. Алмаз встречается в виде микроскопических кристаллов в некоторых метеоритах. Природные алмазы содержатся в минерале кимберлите, источники которого находятся в России, Ботсване, ДР Конго, Канаде и Южной Африке.

В сочетании углерод содержится во всех живых организмах. Он также содержится в окаменелых останках в виде углеводородов (природный газ, сырая нефть, горючие сланцы, уголь) и карбонатов (мел, известняк, доломит).

Углерод встречается в природе в виде антрацита (разновидности угля), графита и алмаза. Исторически более доступными были сажа или древесный уголь. В конечном итоге эти различные материалы были признаны формами одного и того же элемента. Неудивительно, что алмаз представлял наибольшую трудность для идентификации. Натуралист Джузеппе Аверан и медик Сиприано Тарджиони из Флоренции были первыми, кто обнаружил, что алмазы могут разрушаться при нагревании. В 1694 году они сфокусировали солнечный свет на алмазе с помощью большого увеличительного стекла, и драгоценный камень в конечном итоге исчез. Пьер-Жозеф Макер и Годфруа де Виллетанез повторили эксперимент в 1771 году. Затем, в 1796 году, английский химик Смитсон Теннант наконец доказал, что алмаз – это всего лишь форма углерода, показав, что при горении образуется только CO2.

Описание элемента азот

Газ без цвета и запаха. Азот важен для химической промышленности. Он используется для производства удобрений, азотной кислоты, нейлона, красителей и взрывчатых веществ. Для получения этих продуктов азот сначала должен вступить в реакцию с водородом с образованием аммиака. Это делается с помощью процесса Хабера. Ежегодно таким способом производится 150 миллионов тонн аммиака.

Газообразный азот также используется для создания атмосферы, не вызывающей реакции. Таким образом, он используется для консервирования пищевых продуктов и в электронной промышленности при производстве транзисторов и диодов. При отжиге нержавеющей стали и другой продукции сталелитейных заводов используется большое количество азота. Отжиг – это термическая обработка, которая облегчает обработку стали.

Жидкий азот часто используется в качестве хладагента. Он используется для хранения спермы, яйцеклеток и других клеток для медицинских исследований и репродуктивных технологий. Он также используется для быстрого замораживания пищевых продуктов, помогая им сохранить влажность, цвет, вкус и текстуру.

Азот естественным образом циркулирует в живых организмах в рамках «азотного цикла». Он усваивается зелеными растениями и водорослями в виде нитратов и используется для образования оснований, необходимых для построения ДНК, РНК и всех аминокислот. Аминокислоты являются строительными блоками белков.

Животные получают азот, потребляя другие живые организмы. Они переваривают белки и ДНК до составляющих их оснований и аминокислот, преобразуя их для собственного использования.

Микробы в почве преобразуют соединения азота обратно в нитраты, которые растения используют повторно. Запасы нитратов также пополняются азотфиксирующими бактериями, которые «фиксируют» азот непосредственно из атмосферы.

Урожайность сельскохозяйственных культур можно значительно повысить, добавляя в почву химические удобрения, изготовленные из аммиака. При небрежном использовании удобрение может вымываться из почвы в реки и озера, вызывая быстрый рост водорослей. Это может блокировать свет, препятствуя фотосинтезу. Растворенный кислород вскоре израсходуется, и река или озеро погибнет.

Азот составляет 78% воздуха по объему. Его получают путем перегонки жидкого воздуха. Ежегодно извлекается около 45 миллионов тонн. Он содержится в виде соединений во всех живых организмах, а следовательно, также в угле и других видах ископаемого топлива.

Азот в форме хлорида аммония, NH4Cl, был известен алхимикам как солевой аммиак. Его изготовили в Египте путем нагревания смеси навоза, соли и мочи. Сам газообразный азот был получен в 1760-х годах Генри Кавендишем и Джозефом Пристли, и они сделали это путем удаления кислорода из воздуха. Они заметили, что он гасит зажженную свечу и что мышь, вдохнувшая его, вскоре умрет. Ни один из мужчин не пришел к выводу, что это элемент. Первым, кто предположил это, был молодой студент Дэниел Резерфорд в своей докторской диссертации, написанной в сентябре 1772 года в Эдинбурге, Шотландия.

Описание элемента кислород

Газ без цвета и запаха. Наибольшее коммерческое применение газообразный кислород находит в сталелитейной промышленности. Большие количества также используются в производстве широкого спектра химических веществ, включая азотную кислоту и перекись водорода. Он также используется для получения эпоксиэтана (окиси этилена), используемого в качестве антифриза, и для получения полиэфира, а также хлорэтена, предшественника ПВХ.

Газообразный кислород используется для кислородно-ацетиленовой сварки и резки металлов. Все большее применение находит для очистки сточных вод и промышленных стоков.

Кислород впервые появился в атмосфере Земли около 2 миллиардов лет назад, накапливаясь в результате фотосинтеза сине-зеленых водорослей. Фотосинтез использует энергию солнца для расщепления воды на кислород и водород. Кислород попадает в атмосферу, а водород соединяется с углекислым газом для производства биомассы.

Когда живым существам требуется энергия, они используют кислород для дыхания. Кислород возвращается в атмосферу в виде углекислого газа.

Газообразный кислород хорошо растворим в воде, что делает возможной аэробную жизнь в реках, озерах и океанах.

Кислород составляет 21% атмосферы по объему. Это на полпути между 17% (ниже которого дыхание для людей с непривычкой к климату становится затрудненным) и 25% (выше которого многие органические соединения легко воспламеняются). Этот элемент и его соединения составляют 49,2% по массе земной коры и около двух третей человеческого тела.

Для получения газообразного кислорода используются два ключевых метода. Первый – путем перегонки жидкого воздуха. Второй – пропускание чистого, сухого воздуха через цеолит, который поглощает азот и оставляет кислород. Более новый метод, позволяющий получать кислород более высокой чистоты, заключается в пропускании воздуха через частично проницаемую керамическую мембрану.

В лабораторных условиях его можно получить электролизом воды или добавлением катализатора из оксида марганца (IV) к водной перекиси водорода.

В 1608 году Корнелиус Дреббель показал, что при нагревании селитры (нитрат калия, KNO3) выделяется газ. Это был кислород, хотя он не был идентифицирован как таковой.

Заслуга в открытии кислорода теперь принадлежит трем химикам: англичанину, шведу и французу. Джозеф Пристли был первым, кто опубликовал отчет о кислороде, сделав это в 1774 году, сфокусировав солнечный свет на оксиде ртути (HgO) и собрав выделяющийся газ. Он отметил, что свеча в нем горела ярче и от этого становилось легче дышать. Без ведома Пристли Карл Вильгельм Шееле произвел кислород в июне 1771 года. Он написал отчет о своем открытии, но оно было опубликовано только в 1777 году. Антуан Лавуазье также утверждал, что открыл кислород, и предложил назвать новый газ кислородом, что означает «кислотообразующий», поскольку считал его основой всех кислот.

Описание элемента фтор

Очень бледный желто-зеленый газ с опасной реакционной способностью. Это самый реакционноспособный из всех элементов, он быстро воздействует на все металлы. Стальная вата воспламеняется при контакте с фтором. Коммерческого производства фтора не было до Второй мировой войны, когда разработка атомной бомбы и другие проекты в области ядерной энергетики сделали необходимым производство его в больших количествах. До этого соли фтора, известные как фториды, долгое время использовались при сварке и для глазури стекла.

Этот элемент используется для получения гексафторида урана, необходимого атомной энергетике для разделения изотопов урана. Он также используется для получения гексафторида серы, изолирующего газа для мощных электрических трансформаторов.

Фактически, фтор используется во многих фторохимических продуктах, включая растворители и высокотемпературные пластмассы. Тефлон хорошо известен своими антипригарными свойствами и используется в сковородках. Он также используется для изоляции кабелей, изоленты для сантехники и как основа Gore-Tex® (используется в водонепроницаемой обуви и одежде).

Плавиковая кислота используется для травления стекла электрических лампочек и в аналогичных областях применения.

Хлор-фторуглероды когда-то использовались в качестве пропеллентов для аэрозолей, хладагентов и для «выдувания» пенополистирола. Однако их инертность привела к тому, что, попав в атмосферу, они распространились в стратосферу и разрушили озоновый слой Земли. Теперь они запрещены.

Фтор является важным ионом для животных, укрепляющим зубы и кости. В некоторых районах его добавляют в питьевую воду. Считается, что присутствие фторидов ниже 2 частей на миллион в питьевой воде предотвращает образование кариеса. Однако при превышении этой концентрации он может привести к образованию пятен на зубной эмали у детей. Фтор также добавляют в зубную пасту.

В среднем в организме человека содержится около 3 миллиграммов фтора. Слишком много фтора токсично. Элементарный фтор высокотоксичен. Наиболее распространенными минералами, содержащими фтор, являются флюорит, плавиковый шпат и криолит, но он также довольно широко распространен в других минералах. Это 13-й по распространенности элемент в земной коре.

Фтор получают электролизом раствора гидродифторида калия (KHF2) в безводной плавиковой кислоте. Ранние химики знали, что фториды металлов содержат неопознанный элемент, похожий на хлор, но они не могли его выделить. Французский ученый Андре Ампер придумал название фтор в 1812 году. Даже великому Хамфри Дэви не удалось получить этот элемент, и он заболел, пытаясь выделить его из плавиковой кислоты.

Британский химик Джордж Гор в 1869 году пропустил электрический ток через жидкость HF, но обнаружил, что выделяющийся газ бурно реагирует с его прибором. Он думал, что это фтор, но не смог собрать его и доказать. Затем, в 1886 году, французский химик Анри Муассан получил его электролизом бифторида калия (KHF2).

Описание элемента неон

Газ без цвета и запаха. Неон не вступает в реакцию ни с каким другим веществом. Наибольшее применение неон находит в изготовлении повсеместных «неоновых вывесок» для рекламы. В вакуумной газоразрядной трубке неон светится красновато-оранжевым цветом. Только красные вывески на самом деле содержат чистый неон. Другие элементы содержат разные газы, придающие им разный цвет.

Неон также используется для изготовления высоковольтных индикаторов и коммутационных устройств, молниеотводов, снаряжения для дайвинга и лазеров.

Жидкий неон является важным криогенным хладагентом. Его холодопроизводительность на единицу объема более чем в 40 раз выше, чем у жидкого гелия, и более чем в 3 раза выше, чем у жидкого водорода. Неон – пятый по распространенности элемент во Вселенной. Однако он присутствует в атмосфере Земли в концентрации всего 18 частей на миллион. Его извлекают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Это дает фракцию, содержащую как гелий, так и неон. Гелий удаляют из смеси активированным углем. В 1898 году Уильям Рамзи и Моррис Трэверс из Университетского колледжа Лондона выделили газообразный криптон путем испарения жидкого аргона. Они ожидали найти более легкий газ, который занял бы нишу выше аргона в периодической таблице элементов. Затем они повторили свой эксперимент, на этот раз позволив твердому аргону медленно испаряться при пониженном давлении, и собрали газ, который выделился первым. На этот раз они добились успеха, и когда они поместили образец нового газа в свой атомный спектрометр, их поразило ярко-красное свечение, которое мы теперь ассоциируем с неоновыми вывесками. Рамзи назвал новый газ неоном, основываясь на neos, греческом слове, обозначающем новый.

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.