Кремний. Основа компьютерных технологий
На Земле данный элемент является вторым по распространенности после кислорода. Хотя мы сейчас и рассматриваем полуметаллы, но кремний является ближайшим аналогом углерода. Нам с вами известна углеродная форма жизни, но также может существовать и кремниевая форма жизни. Например, кремний составляет основу скелетов некоторых морских организмов.
Песок на берегу моря, горный хрусталь, агат, опал, полевые шпаты, стеклянная посуда, окаменелое дерево – все это состоит из соединения кремния и кислорода SiO2. Именно из него делают химическую лабораторную посуду: колбы и пробирки.
Хотя кремний является широко распространенным элементом, но открыли его только в 1825 году. Это сделал шведский химик Йенс Якоб Берцелиус. Элемент назван был силицием, что по-латински означает кремень.
Про основное применение кремния и то, как он изменил жизнь человечества в эпоху информационных технологий, думаем, особо рассказывать не стоит. Вы и так все знаете, что из него выращивают монокристаллы, из которых делают процессоры и микроконтроллеры для компьютеров, планшетов, смартфонов и другой электроники. Также без него сложно было бы представить солнечные батареи.
Силикон – кремнийорганическое соединение, о котором тоже знают все. Его применяют очень широко: от силиконовых герметиков, масел, резин до имплантатов для пластической хирургии.
Все тот же оксид кремния применяется для производства стекол. Причем в обычных оконных стеклах около 72 % диоксида кремния, а в высокопрочном «пирекс» стекле, которое используют для химической посуды, его 82 %. Больше всего диоксида кремния в кварцевом стекле.
|
|
|
Германий. Брат кремния
Германий был открыт в 1886 году профессором Клеменсом Винклером. Химик назвал его в честь своей страны Германии. По своим физическим свойствам германий хрупок, похож на обычное стекло. Да и по внешнему виду они с кремнием очень близки.
Германий хотя и имеет собственные минералы: германит, аргиродит, ультрабазит, но во-первых, они очень редкие, а во-вторых, их недостаточно для покрытия всей потребности человека в данном элементе. В основном германий встречается в минералах других элементов, в углях, природных водах и т. д. Поэтому способы его получения сильно зависят от исходного сырья.
Наряду с кремнием данный элемент стал важным полупроводниковым материалом. Это свойство нашло свое применение в таких изделиях, как: транзисторы, диоды, триоды, термисторы, которые применяются повсеместно в различной электронике. В настоящее время основными потребителями германия являются: волоконная оптика, тепловизорная оптика, химические катализаторы, электроника, металлургия.
|
|
|
Металлический германий сверхвысокой чистоты в инфракрасной области спектра прозрачен, поэтому его применяют при производстве оптических элементов инфракрасной оптики: линз, призм и оптических окон датчиков. Также Германий широко применяется в ядерной физике в качестве материала для детекторов гамма-излучения.
Мышьяк. Яд и не только
Данный элемент известен человечеству издревле. Точной даты открытия назвать никто не сможет. Но впервые металлический мышьяк был получен в 1250 году немецким алхимиком Альбертом фон Больштедтом. По крайней мере, так считается. Чистый мышьяк – это серебристо-белое вещество.
Свойства данного элемента достаточно противоречивы. В одних случаях он выступает как яд, в других как лекарство. В давние времена основным ядом был именно мышьяк. Поэтому опыт обращения с данным элементом большой. Криминалисты и судмедэксперты научились безошибочно определять отравления мышьяком. Смертельная доза 0,05-0,1 г. Однако он присутствует во всех живых организмах, но в гораздо меньших количествах. Считается, что микродозы мышьяка повышают устойчивость организмов к действию вредных микробов.
|
|
|
В конце XVII века в Италии много шума наделала вода «Аква тофана». Сицилианка Тофана, сбежавшая из Палермо в Неаполь, продавала бутылочки с жидкостью женщинам, желавшим ускорить смерть своих мужей. На бутылочках был портрет святого Николая. 5-6 капель этой жидкости было достаточно, чтобы умертвить человека. Смерть наступала медленно и болезненно. В состав этой жидкости входил водный раствор мышьяковой кислоты.
После смерти Наполеона была проанализирована прядь его волос. Оказалось, что начиная с сентября 1820 года в течение четырех месяцев он получал большие дозы мышьяка. Было доказано, что Наполеон был отравлен мышьяком.
Отравляющее действие мышьяка, естественно, не могли не заметить военные. Они применяли его при производстве химического оружия. Самым известным боевым отравляющим веществом является арсин (AsH3). Это самое ядовитое соединение мышьяка. Его активно применяли американцы во время войны во Вьетнаме.
В качестве лекарства мышьяк тоже применяется: первое, что приходит на ум, это использование в стоматологии. Мышьяк применяли при пульпите, когда кариес добирался до зубных нервов и их «убивали», чтобы сохранить зуб. Также соединения мышьяка применяли при лечении малярии и тифа. Конечно, в последнее время от него отказываются, заменяя более безопасными материалами.
|
|
|
Мирное применение мышьяк нашел в полупроводниковой технике. Используются такие соединения, как: арсенид галлия GaAs и индия InAs. Также мышьяк применяют при легировании некоторых металлов. Добавка к меди увеличивает ее прочность на разрыв и коррозионную стойкость. Добавка к свинцу повышает его твердость.
Сурьма. Ни рыба, ни мясо
В природе существует около 100 минералов, содержащих сурьму. Издавна был известен минерал сурьмяный блеск, название от которого перекочевало к самому элементу. Сурьму сплавляли со свинцом и получали сплав, который применяли для изготовления типографских шрифтов при печати книг.
Средневековым металлургам были известны семь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть. А вот мышьяк и сурьма были выделены в отдельную группу полуметаллов, так как они хуже ковались. Когда наука стала развиваться, то ученые снова проанализировали сурьму и пришли к выводу, что металлические свойства у нее выражены слабо. Выглядит она как обыкновенный металл, но очень хрупка. Сурьму можно измельчить в самой обычной ступке в порошок. Электричество и тепло проводит гораздо хуже большинства металлов. Однако и свойства неметаллов проявляются не в полной мере. В химическом плане она ведет себя аналогично неметаллу фосфору. Поэтому сурьма и относится к полуметаллам. Но в справочниках ее чаще относят к металлам, чтобы каким-то образом классифицировать.
Из-за своей хрупкости металлическая сурьма в чистом виде применяется редко. Но используется для приготовления сплавов с оловом и свинцом, придавая им твердость. Они применяются в качестве вкладышей в подшипники, так как обладают большим сопротивлением к истиранию. Сплав сурьмы со свинцом используется для производства шрапнелей и пуль, оболочек электрических кабелей, электродных пластин для аккумуляторов.
Сульфид сурьмы Sb2S5 используют для вулканизации каучука. Вы наверняка видели красную «медицинскую» резину, имеющую высокую эластичность. В ее состав как раз входит этот сульфид.
Соединения сурьмы используются при производстве огнеупорных красок, тканей. Краска так и называется «сурьмин». Соединения сурьмы с алюминием, галлием и индием обладают полупроводниковыми свойствами.
Сурьма является токсичной. Она накапливается в щитовидной железе и имеет раздражающее действие. Однако попав в желудочно-кишечный тракт, она не вызывает отравления. В XV–XVI веках, чтобы вызвать рвоту, пациентам давали вино, выдержанное в сурьмяном сосуде. Соединение сурьмы KC4H4O6(SbO) × H2O так и называется рвотным камнем.
Теллур. Яд и полупроводник
Теллур – от «tellus», что по-латыни значит Земля. То есть назван этот элемент в честь нашей планеты. В 1782 году Франц Иозеф Мюллер исследовал золотоносную руду, из которой получил новый элемент. К металлам его можно было отнести с очень большой натяжкой. Через 16 лет Мартин Генрих Клапрот доказал, что это действительно новый элемент и дал ему название теллур.
Теллур является токсичным, а его соединение с водородом H2Te – бесцветный ядовитый газ с неприятным запахом. Это не удивительно, так как он является аналогом серы и теллуроводород подобен сероводороду H2S. Сам теллур и его соединения могут вызывать облысение, влияют на состав крови.
По химическим свойствам теллур похож на серу и селен, но при этом немного проявляет металлические свойства. Кристаллический же теллур больше похож на сурьму. Его цвет серебристо-белый.
Свое применение он нашел в качестве добавки к свинцу, повышая его прочность и придавая химическую стойкость. Такой сплав аналогично сурьме применяется в кабельной и химической промышленностях. Сплав теллура с медью легко обрабатывать. В стекольной промышленности добавки теллура придают стеклам коричневую окраску. Теллурид кадмия CdTe применяется для изготовления солнечных батарей, лазеров, счетчиков радиоактивных излучений.
Полоний. Источник энергии
Открыли этот элемент супруги Кюри в 1898 году. Первое сообщение о нем было таким: «Если существование этого нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием, по имени родины одного из нас». По-латыни Polonia – Польша. Название элемента было своеобразным протестом, так как самостоятельного польского государства в то время не существовало. Польша была раздроблена, а ее земли принадлежали Австрийской, Германской и Российской империям.
Полоний является ультраредким элементом. Получить его из минералов достаточно трудно. В основном полоний получают в ядерных реакторах путем облучения изотопа 209Bi потоком нейтронов. В результате образуется изотоп 210Po. Этот изотоп полония наиболее важен для науки и техники.
Полоний – легкоплавкий металл серебристо-белого цвета. По внешнему виду он похож на самый обычный металл. По электрохимическим свойствам на благородные металлы. По химическим свойствам является аналогом серы, селена и теллура.
Изотоп 210Po является чистым альфа-излучателем. Испускаемые им частицы тормозятся в самом же металле и, пробегая внутри него всего несколько миллиметров, тратят всю свою энергию, превращая ее в тепловую энергию. Это тепло можно использовать для обогрева и получения электроэнергии, что собственно и делают как на Земле, так и в космосе. Из него делают источники электроэнергии для искусственных спутников.
Преимущество данного радиоактивного изотопа в том, что излучает он только альфа-частицы, которые не могут далеко улететь. Поэтому для таких источников не требуется особых мер защиты от излучения. Однако выделяющейся энергии так много, что она способна расплавить образец. Поэтому полоний сплавляют со свинцом. Такой сплав имеет более высокую температуру плавления, чем чистый полоний.
Также он используется для производства компактных, очень мощных и безопасных нейтронных источников. Для этого полоний сплавляют с бериллием и бором. Это герметичные маленькие ампулы, в которую помещена таблетка из карбида бора, покрытая полонием.
Во всем мире получением и выделением полония занимаются только в России. При работе с ним необходимо соблюдать особую осторожность, так как он один из самых опасных радиоактивных элементов. Его активность настолько большая, что брать руками полоний нельзя. Он легко проникает внутрь организма через кожные покровы. Работают с ним только в герметичных боксах, так как он способен переходить в аэрозольное состояние.
Другие изотопы полония используются только в исследовательских целях и практического применения пока что не имеют.
Типичные неметаллы
Углерод. Основа жизни
Углерод известен с незапамятных времен, а вот имя его первооткрывателя неизвестно. Впервые чистый углерод был получен в 1791 году английским химиком Теннатом Смитсоном. Свое название «углерод» данный элемент получил только в 1824 году. В английском же языке его называют «carbon», что с латинского переводится как уголь.
В природе углерод встречается как в свободном состоянии, так и в виде различных соединений. Все мы знаем про такие формы, как уголь, графит, алмаз, которые встречаются в природе. Все это самый настоящий углерод. В природе он также встречается в виде углекислого газа CO2. Если более подробно говорить про химические соединения, в которые входит углерод, сразу же надо вспомнить про органическую химию. Иначе ее можно назвать химией соединений углерода, так как все вещества, которые изучает органическая химия, основаны на соединениях углерода с водородом и некоторыми другими элементами. Ткани растений и животных, нефть и все ее производные – это все соединения углерода.
Современную жизнь сложно представить без углеводородов. Бензин, масла, смолы, растворители, пластмассы, полимеры, синтетические ткани и многие другие предметы – это различные соединения углерода. Их так много, что человечеству на данный момент известно более 27 миллионов органических веществ. Собственно, углерод является основой нашей жизни.
Углерод имеет множество аллотропных модификаций с очень разными физическими свойствами. Аллотропия – явление, при котором два или более простых вещества одного и того же химического элемента обладают различным строением, а как следствие – разными свойствами. Графит отлично проводит тепло и электричество, а вот алмаз является изолятором электрического тока (по-научному диэлектриком). Графит не пропускает свет, а алмаз прозрачен.
Если мы говорим про углерод в органических соединениях, то в них он имеет валентность IV. Всегда! Надеюсь, это вам несколько облегчит жизнь, если вы учитесь в школе. Соединений, где углерод проявлял бы другую валентность, очень мало. Одним из них является угарный газ CO.
В основном углерод содержится в известняке CaCO3 и доломите MgCa(CO3)2. Кальцинированная сода Na2CO3 применяется в стекольной промышленности. Пищевая сода NaHCO3 знакома всем и она есть у каждого дома. Между прочим, и та, и другая являются отличными моющими средствами. В особенности вам не обойтись без нее, если вам необходимо оттереть перманентный маркер. К тому же, множество современных моющих средств в своем составе на 90 %, а порой и на все 100 % состоят из обычной соды, хотя на этикетке может быть написано что-то типа: «Новая формула! Лучшее моющее средство».
С карбидом кальция CaC2 тоже многие могут быть знакомы. С его помощью получают ацетилен C2H2, надо всего лишь добавить воды к карбиду. Раньше очень часто куски карбида таскали со строек, крошили в бутылки, заливали водой и плотно закрывали. Выделяющийся газ создавал большое давление и с громким хлопком разрывал бутылку.
Про углерод можно писать огромные книги. Собственно, их уже написали и продолжают писать. Чего стоят хотя бы тонны книг по органической химии. Ни про один другой химический элемент и его соединения столько не написано. Однако отметим, что перспективными направлениями являются исследования различных форм углерода, таких как фуллерен, графен, углеродные нанотрубки, нановолокна и многие другие.
Азот. Дышите, не дышите
Вдохните полной грудью! Что чувствуете? Запахи? Нет-нет. Азот не пахнет. Просто воздух на 75 % состоит из азота. «Азот» означает безжизненный. Он не поддерживает ни горение, ни дыхание. Он достаточно инертен, хотя не является инертным газом и стоит практически в середине таблицы. Его сосед кислород в некотором смысле противоположность азота.
Антуан Лавуазье назвал азот азотом. Но открыл его другой ученый – Джозеф Блэк Даниэль Резерфордв 1772 году. Правда он не считал его новым элементом, как и К. Шееле, который вел параллельные исследования. То, что азот это именно новый элемент, убедил всех именно Лавуазье.
Простое вещество азот – это молекула из двух атомов азота N2. Получают его из воздуха. Да-да, не удивляйтесь. Берут воздух, сжижают, а затем, основываясь на разных температурах кипения газов, входящих в его состав, их разделяют. Таким образом получают разные фракции, одной из которых является азот. Таким же образом получают жидкий азот, про который вы наверняка смотрели множество видео в интернете.
Азот необходим для существования животных и растений, так как входит в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла, гемоглобина и др. Бобовые растения накапливают в себе азот из атмосферы. Этот факт используется в сельском хозяйстве, когда посевные почвы становятся бедными по азоту, то высаживают, например, горох. Те накапливают в почве азот в виде различных соединений. Затем на такую почву высаживают другую необходимую сельхозкультуру.
Азот входит в состав селитры KNO3 – соединения, хорошо известного начинающим пиротехникам. Также она применяется в качестве азотного удобрения почв.
Сам азот применяют для получения азотной кислоты, аммиака, нитридов различных металлов, различных красителей и взрывчатых веществ. В пищевой промышленности вы можете столкнуться с добавкой Е941. Это не что иное, как азот, применяемый в качестве газовой среды для упаковки, хранения и хладагента. Хранят жидкий азот в сосудах Дьюара. По факту это обычные термосы, только очень большие.
При погружении водолазов на глубину, где давление выше, концентрация азота, растворенного в белковых и жировых тканях, растет. Это может приводить к азотному наркозу. Водолаз «пьянеет». Поэтому в дыхательных баллонах, с которыми погружаются водолазы, заполнены смесью кислорода и гелия.
Про закись азота N2O многие из вас скорее всего слышали, особенно если увлекаетесь гоночными симуляторами. Он снижает температуру всасываемого в двигатель воздуха, увеличивает содержание поступающего кислорода и повышает скорость сгорания в цилиндрах двигателя. Однако с такой целью его редко используют. Основное его применение в медицинских целях. Смешивая его с кислородом в определенном соотношении, он используется как хирургический наркоз. Сама по себе закись азота вызывает легкое опьянение, поэтому и получила название «веселящий газ».
Кислород. Огонь
Кислород бесцветен, безвкусен, невидим и лишен запаха. Эти свойства явно мешали ученым обнаружить его. К его открытию практически одновременно приложили руки Карл Шееле и Джозеф Пристли. Они открыли новый элемент, но сами этого не поняли. И только Лавуазье смог определить, что был открыт именно новый химический элемент. Он назвал его «oxygen». А вот название «кислород» в русском языке дал Михаил Ломоносов.
Получают кислород в чистом виде также как и азот, из воздуха, путем сжижения. Жидкий кислород магнитен и способен притягиваться к магниту. Больше так не может ни один другой сжиженный газ, состоящий из индивидуального элемента. Молекула кислорода представляет собой соединение двух атомов O2.
Про то, что все живые организмы дышат кислородом, упоминать даже не стоит. Это общеизвестный факт. Кислород вступает в реакции со всеми известными металлами, образуя оксиды этих элементов. Какие-то металлы реагируют при комнатной температуре, например медь. Если ее зашкурить до блеска, то она достаточно быстро покрывается оксидной пленкой CuO, реагируя с кислородом воздуха. Другие металлы необходимо нагревать, чтобы они смогли прореагировать с кислородом, например цирконий.
С процессом горения каждый из нас тоже сталкивался. В большинстве случаев, когда мы говорим про горение, то имеется в виду, что какое-то вещество взаимодействует с кислородом, при этом выделяется энергия в виде тепла и света.
Кислород является сильным окислителем. Конечно, не таким сильным, как фтор, но все же. Вступая в химическую реакцию, он окисляет другие элементы, то есть отбирает у них электроны. Он также, как и фтор, хочет полностью заполнить свою внешнюю орбиталь двумя недостающими электронами (фтору, правда, нужен всего лишь 1 электрон).
Кислород применяется в металлургии. Им продувают расплавленный чугун, чтобы избавиться от растворенного углерода. Таким образом получают сталь. Также кислород применяют для газопламенной резки и сварки металлов. Еще одной областью применения является космическая промышленность, где он применяется в качестве окислителя ракетного топлива. Применяется и в медицине в виде газовых смесей в наркозной аппаратуре, кислородных коктейлей и др. В пищевой промышленности кислород обозначается как пищевая добавка Е948 – упаковочный газ.
Фосфор. Источник удобрений
Данный элемент был открыт в 1669 году гамбургским алхимиком Геннингом Брандтом. Как и другие алхимики, он пытался найти философский камень, но нашел всего лишь фосфор. Он проводил опыты с человеческой мочой, так как полагал, что раз она золотистого цвета, то в ней содержится золото. Он собирал ее ведрами, затем кипятил, чтобы удалить воду. Представляете как все это пахло?! Получившаяся субстанция очень ярко горела, да и светилась в темноте сама по себе. Брандт демонстрировал полученное «магическое» вещество состоятельным людям, которые платили за это. Назвал данное вещество phosphorus mirabilis, что с латинского переводится как «чудотворный носитель света».
Но Брандт не стремился изучить полученный фосфор. Он довольствовался только тем, что зарабатывал, развлекая состоятельных людей. Так продолжалось длительное время, пока фосфор не попал в руки Лавуазье, которые доказал, что это самостоятельный химический элемент.
Исходя из расположения в таблице Менделеева, фосфор следует назвать аналогом азота. Однако их физические и химические свойства сильно отличаются. Мы бы даже сказали совсем. Единственное, что их объединяет, так это то, что оба эти элемента необходимы животным и растениям.
Фосфор образует около 190 минералов. Самым важным является апатит Ca5(PO4)3(F,Cl,OH), который применяется для производства фосфорной кислоты, которая в свою очередь идет на производство фосфорных удобрений. Посмотреть на данное производство вы можете на нашем YouTube-канале в видео под названием «Фосфогипс». Фосфор играет важную роль в жизни растений. Его нехватка приводит к уменьшению количества и размеров семян.
Фосфор является неметаллом и имеет несколько аллотропных модификаций, таких как: белый, красный, черный и металлический фосфор. Самым известным является белый фосфор. Он способен светиться в темноте некоторое время. Стоит отметить, что чистый белый фосфор ядовит. Если белый фосфор нагреть без доступа кислорода до температуры 250°С, то он превратится в красный фосфор. Эта модификация менее химически активная и не способна светиться в темноте. Черный фосфор получают также при нагревании, но еще и под высоким давлением. Для получения металлического фосфора необходимо приложить еще большее давление.
Применяется фосфор в спичечной промышленности, металлургии и как мы уже писали выше, в химической промышленности. И если вы думаете, что фосфор содержится в головках спичек, то ошибаетесь. Его перемешивают со стеклянным порошком и клеем, а затем наносят на боковую поверхность спичечных коробков. Некоторые фосфорорганические соединения применяются в качестве лекарств, другие для борьбы с вредителями.
В военных целях производится фосфин PH3 – ядовитый бесцветный газ с чесночным запахом. Также из-за своей горючести белый фосфор применяют для производства зажигательных бомб.
Научные знания о фосфоре раньше применялись и с целью одурачивания людей. Когда церковь хотела явить чудо, например самозагорающуюся свечу, то на фитиль наносили раствор фосфора в сероуглероде CS2. Сероуглерод со временем испарялся, оставались крупинки фосфора, который окислялся кислородом воздуха и самовозгорался. Чудо!
Сера. Стара, как мир
Сера известна человечеству очень давно. Даже в Новом и Ветхом заветах сера описывалась как источник тепла при термообработке грешников. Сера известна людям благодаря тому, что встречается в природе в самородном виде. Ее использовали в религиозных и мистических целях. Затем постепенно ее стали применять в быту для изготовления лекарственных мазей, для борьбы с вредителями.
То, что сера – это индивидуальный элемент, а не химическое соединение разных элементов, установил Лавуазье. После изобретения пороха в Европе началась промышленная разработка способов ее добычи и поиск месторождений. Сера в смеси с углем и селитрой являются компонентами пороха.
В настоящее время примерно половина производимой серы используется для получения серной кислоты. А серная кислота для химии, как хлеб для застолья. Без нее современная химия не может обойтись. Люди, которые хоть раз в своей жизни ломали себе кости, прекрасно знакомы с таким веществом, как гипс CaSO4×2H2O. Про пахнущий сероводород H2S думаем, знают все. Им пахнут тухлые яйца.
Вернемся к спичкам. Из главы про фосфор мы узнали, что он используется при изготовлении чиркашей на коробках. А вот сера применяется как раз в спичечных головках. К тому же сера нужна для производства бумаги, резины, тканей, косметики, пластмасс, красок, удобрений, пиротехники и ядохимикатов.
Селен. Лунный
Селен – хрупкий неметалл и горит синим пламенем. Он является аналогом серы. Селен открыл Якоб Берцелиус в 1817 году, когда исследовал неизвестный осадок, который образовывался при получении серной кислоты. Подозрения были, что это теллур, но анализ показал, что это не он. Тогда стало ясно, что это новый химический элемент. А так как он был похож по свойствам на теллур, что в переводе означает Земля, и сопутствует ему в минералах, то новый элемент был назван селеном, что означает Луна.
Как и другие элементы, окружающие его в таблице Менделеева, селен и все его соединения являются ядовитыми веществами. Если земля, на которой пасутся животные, содержит селен, то они заболевают алколоизом. При этом начинает выпадать шерсть, деформируются рога и копыта.
Из селена и его соединений изготавливают выпрямители тока, различные фотоэлементы. Профессиональные фотографы и некоторые любители знают, что такое экспонометр в фотоаппарате. Этот датчик определяет, сколько света проходит через объектив и попадает на пленку или матрицу фотоаппарата. Вот он как раз состоит из селена, и принцип его работы основан на фотогальваническом эффекте. Этот эффект основан на том, что происходит непосредственное преобразование энергии света в электроэнергию.
Селен также применяется как мощное противораковое средство и для профилактики различных заболеваний.
Типичные металлы
Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 713; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!