Свинец. Элемент, а не животное
Кто назвал свинец свинцом, никто не знает. Также неизвестно, что означает это слово. Свинец очень мягок и легкоплавок. Он легко куется и прокатывается. Эти свойства определили области его применения. Несмотря на то, что он тяжелый, из него делали медальоны, статуэтки. Сплавы свинца, олова и сурьмы применяли для изготовления типографских шрифтов. Римляне делали из него трубы для водопроводов. Из-за своей мягкости свинец легко подвержен внешним деформациям. Нет никакой сложности, чтобы получить на нем оттиск. Поэтому из него делали печати. Затем его стали использовать для изготовления пломб, чтобы опечатывать сейфы, склады. Само слово «пломба» произошло от латинского названия «plumbum».
Свинец стоек к 80 % серной кислоты и к действию соляной кислоты. Однако его легко разъедает слабая уксусная кислота. Долгое время свинец применялся в сернокислотной промышленности в качестве облицовочного материала для оборудования.
Про свинцовые белила наверняка слышал каждый. Это соль свинца 2PbCO3×Pb(OH)2. Она применяется в составе лакокрасочных покрытий, которые стойки к действию света и воздуха. Но такие краски токсичны. Поэтому свинцовые белила применяют только для наружной окраски судов. Самый популярный пигмент – сурик (Pb3O4) имеет ярко-красный цвет. Им красили подводные части кораблей.
Свинец – это последний элемент таблицы Менделеева, у которого есть стабильные изотопы. У всех последующих элементов все изотопы радиоактивны.
|
|
|
Попадая в организм человека, как и любой тяжелый металл, вызывает отравления. Особенно опасно воздействие свинца на детей: при длительном воздействии он вызывает умственную отсталость и хронические заболевания мозга. Однако хлорид свинца применяют для приготовления мазей при обработке опухолей. Врачи рентген кабинетов носят свинцовые фартуки, защищающие от рентгеновского излучения.
Висмут. Последний из Могикан
История открытия висмута достаточно сложна. Он известен людям со Средних веков, тогда его часто путали с оловом, свинцом и сурьмой. Георгий Агрикола – крупнейший минералог своего времени (он жил в XVI веке) впервые описал получение этого металла. То, что висмут является самостоятельным химическим элементом, поняли только в XVIII веке, а символом элемент обязан Берцелиусу.
Висмут является редким элементом. В среднем его содержание в тонне земной коры не превысит 0,2 грамма, а это меньше, чем, например, серебра.
Основным потребителем висмута является металлургия. Если легировать алюминий или сплавы очень небольшими количествами висмута, можно добиться того, что их будет гораздо легче обрабатывать. Сплавы висмута с марганцем и хромом применяют для изготовления долговечных постоянных магнитов. Интересно, что находясь по соседству с такими страшными с биологической точки зрения элементами, как полоний и свинец, висмут практически безвреден для организма человека. Поэтому перламутровая губная помада, изготовленная на основе солей висмута, не представляет угрозы вашему здоровью.
|
|
|
Помимо всего прочего, соединения висмута обладают ярко выраженными антибактериальными свойствами. Из-за этого их используют в медицине. Например, всем хорошо известная бактерия Helicobacter pylori, вызывающая гастрит, а впоследствии язву желудка, успешно уничтожается соединениями висмута.
Любителям рыбалки висмут тоже полезен. Так как он обладает сходной плотностью со свинцом, но безопасен для человека, грузила для удочек начинают изготавливать из висмута, а не только из свинца.
Наконец, нельзя не упомянуть красивейшие кристаллы оксида висмута Bi2O3, которые активно используется при изготовлении украшений.
Наука и только
Про данные элементы (резерфордий, дубний, сиборгий, борий, хассий, мейтнерий, дармштадтий, рентгений, копернеций, нихоний, флеровий, московий, ливерморий) сложно что-то рассказать. Причина проста: все они получены человеком на ускорителях частиц и в природе пока не встречались. Это исключительно рукотворные элементы. Многие из них получены в количестве всего десятка тысяч штук. А этого очень мало для химического анализа. К тому же их время жизни очень мало. Раз и нет больше атомов этих элементов, так как они распались. Про их химические и физические свойства можно только догадываться. Но все догадки основаны на периодическом законе, на котором строится вся таблица Менделеева. Исследования и практические подтверждения догадок ведутся учеными в настоящее время. И если вы прочтете главу про актиноиды, то вы даже догадаетесь, в каких лабораториях мира ведутся эти исследования. Надеемся, что на наше время выпадут открытия, связанные с этими элементами.
|
|
|
Переходные металлы
Обсудив s- и p-элементы, мы отправляемся с вами дальше в наше увлекательнейшее путешествие по основам химии элементов. На очереди самая крупная группа, в которую входят почти 57 % всех элементов – это переходные металлы. И сразу появляется несколько вопросов: «А где они находятся в периодической таблице?», «И куда они переходят?». Что же, обо всем по порядку.
|
|
|
Если рассматривать современную таблицу Менделеева, то переходные металлы находятся в «середине», то есть с III группы по XII. Также обратите ваше внимание на «подвал» таблицы, там располагаются 2 ряда элементов, называемые актиноидами и лантаноидами.
Перед тем как ответить на второй вопрос, мы надеемся, что вы простите нам небольшое лирическое отступление от темы главы. Внимательный читатель, вероятно, уже обратил внимание на то, что мы всегда опираемся на Периодическую таблицу, а как следствие, на строение атома. Забегая вперед, сразу скажем, что ответ на ваш вопрос кроется именно в строении атома. На наш взгляд, одна из главных прелестей химии состоит в том, что в ходе решения подавляющего числа задач мы приходим к строению атома, это та основа, без которой химии не существует. Это отличает химию от той же физики, где, зная на отлично механику Ньютона, будет крайне проблематично рассуждать о термодинамике или волновой оптике. Решая химическую проблему, ученый как бы разматывает клубок и приходит к выводу на основе строения атома, это поразительным образом развивает логику и умение устанавливать правильные причинно-следственные связи.
Вернемся к переходным металлам. Они так названы потому, что находятся между s-элементами и p-элементами, создавая между ними «мостик». Как вы уже догадались, переходные металлы относятся к d-элементам, то есть электроны, которые участвуют в образовании химических связей этих элементов с другими, находятся на d-орбиталях (эти электроны принято называть валентными). В образовании связи также могут участвовать и s-орбитали.
Как уже было отмечено ранее, к переходным металлам относятся 38 элементов, плюс актиноиды и лантаноиды, что делает эту группу элементов самой крупной. Дать общую характеристику всем металлам группы почти невозможно, поэтому мы разбили ее на девять более маленьких подгрупп, в каждую из которых входят металлы, обладающие схожими свойствами.
Подгруппа скандия (IIIБ)
В так называемую подгруппу скандия входят: скандий, иттрий, лантан, актиний. В первую очередь укажем на схожесть строения электронных оболочек атомов этих элементов. Ее можно выразить формулой (n-1)d1ns2. Из этого следует, что все эти металлы будут обладать валентностью равной III, а характерной степенью окисления для них является +3. В природе все эти металлы находятся вместе, поэтому отделить их – довольно сложная задача.
Y, La и Ac – серебристо-белые металлы, скандий же обладает желтоватым оттенком. Элементы этой подгруппы достаточно химически активны, по этому показателю их можно сравнить с магнием и кальцием. Например, при реакции оксида лантана La2O3 с водой выделяется больше тепла, чем при реакции оксида кальция CaO с водой. При нагревании все металлы этой подгруппы реагируют с молекулярным азотом, кислородом и многими другими веществами.
Скандий. Металл для ракет
Мы уверены, что даже многие химики не так хорошо знакомы со свойствами этого металла. На то, конечно, есть веская причина: объем мирового рынка скандия составляет всего лишь 2-10 тыс. тонн в год! Ничего удивительного, что мы о нем слышим не так уж часто.
Существование скандия было предсказано Д. И. Менделеевым на основании периодического закона в 1871 году. Великий русский химик дал этому металлу название «эка-бор» из-за его сходства с бором. Спустя восемь лет профессор аналитической химии Нильсон полностью подтвердил экспериментом предсказания Менделеева, выделив скандий при изучении минералов эвксенита и гадолинита. Назвал же он новый элемент в честь места своего рождения – Скандинавии.
Скандий относится к рассеянным элементам. Стоит подчеркнуть, что скандий составляет лишь 6×10-4% массы земной коры. То есть на 1 тонну приходится примерно 10 г. Он входит в состав около 100 различных минералов. Самые крупные месторождения тортвейтита (Sc,Y)2Si2O7 находятся в Норвегии и на Мадагаскаре. Незначительные количества скандия можно встретить даже в морской воде, а также в водорослях.
Скандий находит настолько широкое применение в различных отраслях науки и техники, что некоторые называют его «металлом XXI века». Он входит в состав различных сплавов, повышая их прочность и твердость. Поэтому их используют при конструировании ракет, автомобилей, высокоскоростных поездов и в авиакосмической промышленности. Скандий использовался при строительстве орбитальной станции «Мир» и МКС. Сплавы скандия обладают повышенной коррозийной стойкостью.
Еще более интересным с практической точки зрения является оксид скандия Sc2O3. Его используют для производства ламп высокой интенсивности. Также этот оксид обладает высокой каталитической активностью, поэтому применяется в качестве катализатора. Ювелиры же изготавливают из него фианит – искусственный аналог алмаза. С помощью оксида скандия возможно увеличить мощность солнечных батарей на 50 %. Другие соединения скандия используют в качестве активаторов в цветных телевизорах.
Иттрий. Ну очень рассеянный
История открытия этого металла достаточно непроста. Все началось в 1794 году, когда Гадолин очистил гадолинит. Получив некую неизвестную землю, он дал ей название иттрия. Спустя 45 лет Мозандер разложил эту землю на оксиды трех элементов: иттрия, тербия и эрбия. Название свое иттрий получил в честь шведской деревни, вблизи которой Аррениус впервые нашел камень неизвестного состава, что послужило поводом для отправки его частей различным ученым того времени для анализа (Гадолин, вероятно, входил в их число). Чистый иттрий был получен в 1828 году Велером.
Иттрия в земной коре гораздо больше, чем скандия, его массовая доля составляет примерно 2,8×10-3 %. В отличие от скандия, иттрий относится к редкоземельным элементам (рассеянным), собственных минералов он толком не имеет, напротив, чаще всего встречается в виде примесей к фосфоритам и апатитам.
Чистый металл применяется в качестве добавки к алюминиевым и магниевым сплавам, повышая их твердость. Важнейшей областью использования иттрия является промышленное производство полиэтилена, в этом процессе металл играет роль катализатора. Также стоит упомянуть, что иттрий содержащее соединение YBa2Cu3O7-d, где d < 0.7, относится к сверхпроводникам, и оно заслуживает особого внимания, так как проявляет это интереснейшее свойство при температуре, которая выше температуры кипения жидкого азота. Из-за дешевизны жидкого азота этот материал считается достаточно перспективным. Да-да, сверхпроводники обычно проявляют свои сверхпроводящие способности при очень низких температурах. А это соединение проявляет сверхпроводимость в достаточно «теплых» условиях, по сравнению с другими.
Однако самым используемым соединением иттрия является его оксид Y2O3. Он нашел применение в изготовлении керамики, устойчивой при высоких температурах. Им легируют хромовые стали, он входит в состав вольфрамовых электродов.
Этот элемент встречается не только на Земле: аппараты, посланные NASA на Марс, привезли экземпляры марсианских земель, где были обнаружены некоторые количества этого металла.
Подгруппа титана (IVБ)
Второй будет рассмотрена подгруппа титана, в которую входят: титан, цирконий, гафний и резерфордий. Формула, которая опишет их электронное строение – (n-1)d2ns2, поэтому несложно догадаться, что в соединениях эти металлы имеют валентность равную IV, а наиболее устойчивой степенью окисления является +4.
Титан, цирконий и гафний – ковкие серебристо-белые металлы, которые становятся хрупкими и твердыми, если в них присутствуют примеси. При нагревании эти элементы очень химически активны. В измельченном состоянии они способны поглощать значительные количества водорода. Ti и Zr играют важнейшую роль в металлургии, о чем будет написано далее.
Титан. В честь богов
Как вы уже, вероятно, догадались, речь пойдет о титане. Его соединения люди стали применять гораздо раньше, чем сам металл. Так, в ходе I Мировой войны тетрахлорид титана TiCl4 использовали для создания дымовой завесы. Эта соль гидролизуется водой, содержащейся в воздухе, до оксихлоридов и оксида титана:
TiCl4 + H2O → TiOCl2 + 2HCl
TiCl4 + 2H2O → TiO2 + 4HCl
Увидеть данный процесс своими глазами можно в видео «Титан» на нашем YouTube-канале.
В мирное время оксид титана IV добавляют в продукты питания (он зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е171). Также примерно 57 % произведенного TiO2 уходит на изготовление титановых белил. Интересно, что нитридом титана TiN покрывают сверла, а также купола современных храмов. Из другого бинарного соединения – карбида титана TiC изготавливают абразивные материалы. Диборид титана TiB2 – важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Это далеко не полный список тех соединений этого элемента, которые играют важную роль в различных областях техники.
Титан относится к распространенным элементам: он составляет 0,63 % массы земной коры. Стоит отметить, что на Земле этого металла больше, чем углерода. Рутил, состав которого отражает формула TiO2, а также ильменит FeTiO3 являются основными минералами, содержащими титан. Самородный титан в природе до сих пор не обнаружен.
Большая часть производимого титана расходуется на нужды ракетостроения, судостроения, авиационной промышленности. Из-за высокой устойчивости к коррозии на основе титана производят химические реакторы, трубопроводы и другие емкости, имеющие контакт с агрессивными средами. Более того, титан используют в качестве материала для изготовления протезов ввиду его биологической «безвредности». Этот металл входит с состав большого количества сплавов, которые применяются в различных областях жизни человека.
Интересно, что памятник Юрию Гагарину, стоящий в Москве на пересечении Третьего транспортного кольца и Ленинского проспекта, сделан из титана.
Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 291; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!