Увлекательная таблица Менделеева

скачать книгу бесплатно


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.