Элементы мирового конструктора
В этом приложении мы с вами познакомимся с некоторыми простейшими химическими веществами из таблицы дедушки Менделеева. Про водород, кислород и хлор вы уже прочли кое‑что. А теперь познакомимся с теми элементами, которые наиболее важны для человека или просто интересны сами по себе.
Углерод – С (6 протонов, 6 нейтронов, 6 электронов)
Копоть, сажа, уголь – это и есть углерод практически в чистом виде. Черное пачкающее вещество. Правда, сегодня городскому жителю углерод чаще всего встречается в виде графита, то есть в виде грифеля в простом карандаше. Это тоже пачкающее, мягкое серо‑черное вещество. Здесь его пачкающие свойства применяют с пользой – чтобы оставлять следы на бумаге.
Однако есть и другие формы существования углерода – совершенно не черные, не пачкающие и не мягкие, а совсем даже напротив – прозрачные и очень твердые. Такая форма существования углерода называется алмазом. Если грифель растирается в пыль руками, то алмаз – самое твердое вещество на Земле. И кто скажет, что он пачкается? Он прекрасен! Это вам любая женщина подтвердит.
Но каков фокус! С одной стороны – нечто черное, непрозрачное, проводящее электрический ток и очень мягкое. С другой – бесцветный, прозрачный, невероятно твердый изолятор (материал, не проводящий ток). И это все – одно и то же вещество!
Почему?
Фазовый переход, друзья мои! При определенных (очень высоких) температурах и давлениях графит превращается в алмаз. Химически он остается все тем же веществом, но его физические свойства, как видите, меняются кардинально. А все из‑за того, что перестраивается кристаллическая решетка.
|
|
|
Так упакованы атомы в графите
А так они располагаются в алмазе
Однако при прямо противоположных физических свойствах своих химических «привычек» алмаз не лишился. Он точно так же может прореагировать с кислородом (О) и полностью окислиться, то есть сгореть без остатка, целиком превратившись в углекислый газ (СО2).
Углерод – один из важнейших для жизни элементов. Собственно, жизнь из него и «сделана». Этот элемент обладает чудесным свойством выстраивать сам с собой, а также с другими элементами длинные молекулы, именуемые полимерами. Из таких длинных атомных цепочек и строится вся органика, то есть, грубо говоря, «живое вещество».
Азот (N), стоящий в таблице Менделеева правее углерода, – это газ. И соседний кислород (O) тоже газ. И фтор (F) – газ. А вот более легкий, чем эти трое, углерод – почему‑то представляет собой твердое вещество. Почему? Потому что он, в отличие от кислорода, азота и фтора, не образует легких молекул из двух атомов, типа О2, N2 и F2. Сила связи между атомами кислорода в одной молекуле кислорода О2 велика, а между разными молекулами кислорода слаба – вот они и разлетаются в разные стороны. Зато в алмазе, например, все атомы углерода связаны друг с другом одинаково крепко – в один сплошной полимер. Можно сказать, что кристалл алмаза – это одна сверхгигантская молекула. И конечно, такая сверхтяжелая «молекула» газом быть никак не может.
|
|
|
Тот раздел химии, который изучает углеродные полимеры, называется органической химией. Углеродные цепочки – тот «скелет», на котором строятся молекулы жизни.
Круговорот углерода в природе прост – животные дышат кислородом, а выдыхают углекислый газ (СО2), связывая таким образом углерод. Растения же, напротив, дышат углекислым газом, выдыхая в атмосферу кислород, а высвобожденный углерод пускают на строительство своего «тела» – ствола, листьев, корней. Потом растения поедаются животными, и углерод, как главный строительный материал всего живого, поступает в их тела.
В человеке массой 70 кг содержится 15 кг углерода. Больше, чем углерода, в организме человека только кислорода – почти 45 кг. А водорода – 6 кг. При этом атомов водорода в штуках почти в два раза больше, чем атомов кислорода, просто водород очень легкий. Водород и кислород присутствуют в нашем организме в основном в виде воды, из который человек состоит на 70 %. Человек, по сути, это водный пузырь, армированный костями. Точнее, миллиарды микроскопических водяных пузыриков, именуемых клетками. Все жизненные реакции внутри нас идут в водном растворе.
|
|
|
Фтор – F (9 p+, 10 n, 9 e‑)
Это, пожалуй, самый агрессивный элемент из существующих, стремящийся прореагировать со всем, что попадается ему «под руку». Фтор находится в правом верхнем углу таблицы Менделеева, что уже говорит о многом. Это практически полюс системы элементов, самая ее крайность.
Мы привыкли тушить огонь водой, потому что вода негорюча. Но в атмосфере фтора горит даже вода, высвобождая кислород и образуя фторид водорода (HF). Если этот фторид растворить в воде, то получится плавиковая кислота – самая агрессивная кислота из известных нам. Обычную кислоту (серную, соляную и пр.) можно хранить в стеклянных сосудах. А плавиковая разъедает даже стекло, поэтому ее хранят в специальных фторопластовых емкостях.
Если в атмосферу фтора бросить кремний или уголь, то их даже поджигать будет не надо – сами воспламенятся, настолько хочется фтору с чем‑нибудь пореагировать! Не зря его так назвали: «фтор», что в переводе с греческого означает «разрушающий». Опасная штука! В атмосфере фтора горят и кирпич, и асбест, и многие металлы.
|
|
|
Однако в малых дозах фтор может быть и полезен. В микроскопических количествах мы получаем фтор с водой, и он, встраиваясь в наш организм, попадает в зубную ткань и позволяет зубам бороться с бактериями, вызывающими кариес, то есть гниение зубов. Но стоит только содержанию фтора в воде превысить допустимые нормы, как зубы и весь организм начинают активно разрушаться. В организме человека содержится примерно 3 мг фтора.
И еще – именно фтор, наряду с тяжелой водой, помог сделать атомную бомбу. Для бомбы необходим уран‑235, который надо было отделить от урана‑238. Химически их не разделишь, это одно и то же вещество. Как же выделить из урана атомы, в ядрах которых 235 нуклонов, отделив их от атомов, где 238 нуклонов?
Можно попробовать использовать центрифуги – раскручивать жидкость, и тогда чуть более легкие фракции (атомы) станут отбрасываться центробежной силой чуть дальше. Затем это более легкое отбирать, снова запускать на центрифугу и таким образом раз за разом обогащать нужными нам фракциями. Именно так отделяют тяжелую воду от обычной, легкой.
Но беда в том, что уран – не жидкость, а металл. Что же делать? Выход нашелся. Фторид урана, то есть соединение урана с фтором – легкоплавкое вещество, которое можно при невысоких температурах сделать жидкостью и подвергнуть сепарации. А уж затем, после сепарации, снова выделить из фторида чистый уран, уже разделенный.
Азот – N (7p+, 7n, 7e‑)
Воздух по большей части состоит из него, родимого. Напомню: азота в атмосфере около 80 %, а кислорода – 20 %. Так что дышим мы в основном им. В организме для реакций используется только вдыхаемый кислород, азот же играет роль балласта – как вдыхается, так в неизменном виде и выдыхается. Но балласт этот не бесполезен! Дышать одним только чистым кислородом смертельно опасно.
Азот, наряду с углеродом и другими элементами, входит в ряд необходимых строительных материалов для нашего тела, только получаем мы его не из воздуха, а с едой – в составе азотистых соединений.
Азот также входит в состав удобрений, которые вносят в почву для повышения урожайности, потому что азотными удобрениями питаются растения, строя из азотистых веществ плоды и стебли. А уж эти плоды и стебли поедаем потом мы с вами. Так азот попадает в наш организм. В организме среднего человека содержится примерно 2 кг азота.
Любопытно тут вот что. Пользу азотистых соединений для урожая люди заметили несколько столетий назад. Потом в Южной Америке открыли залежи селитры – азотистого минерала, который стали использовать в качестве удобрения. Это повысило урожайность и крепко подсадило сельское хозяйство на ископаемую селитру. Настолько крепко, что мыслители позапрошлого века вскоре начали хвататься за голову: «А что мы будем делать, когда исчерпается южноамериканское месторождение, которое питает сельское хозяйство всего мира? Не грядет ли вслед за этим всемирный голод?» Видные ученые всерьез предрекали крах цивилизации из‑за дефицита селитры!
Людям всегда свойственно тревожиться за свое будущее, и они постоянно задаются такого рода опасливыми вопросами по поводу разных ископаемых и прочих запасов. А что будет, когда закончится нефть? А что будет, когда закончится газ? Металлические руды? Не помрем ли мы?.. Но никогда до полного исчерпания и помирания дело не доходит, потому что с помощью ума и природной сообразительности человечество каждый раз находит замену тающему на глазах ресурсу. Сначала люди делали орудия труда и охоты из камня под названием кремень. Но не успели его запасы исчерпаться, как человечество изобрело плавку металла… Сначала жгли в печах дерево, а когда Европа «облысела» почти до конца, нашли новое топливо – уголь. Не успел кончиться уголь, стали использовать нефть в качестве топлива…
Так было и с селитрой. Человечество решительно не погибло, а просто стало производить азотные удобрения из воздуха, где этого азота полным‑полно.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 102; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!