в нашей жизни элементы Химические

ты
ен ей
ем аш ни
эл в н из
ж
Химические элементы не просто прозяба­
ют в ячейках таблицы Менделеева. Они живут
вокруг нас в простых веществах, смесях или ра­
створах, они входят в состав соединений, которые
взаимодействуют между собой. И эта круговерть
называется круговоротом химических элементов в
природе. Мы не можем без них обойтись в быту, на­
уке, производстве. Мы сами (и всё вокруг) состоим из
них. Вот почему химия так важна в нашей жизни. Чтобы
убедится в этом, воспользуемся нетрадиционными табли­
цами Менделеева, которые наглядно демонстрируют при­
менение химических элементов.
В первой таблице указаны самые известные направления
использования свойств химических элементов и/или их нахож­
дение в природе. А ещё в ячейках есть обозначения, которые
сообщают нам дополнительную информацию об элементе:
2
Атомний номер
Позначення
Лужноземельні
метали
Тверда
Рідка
Газоподібна
проста речовина за
кімнатної температури
Назва
е
и
к
с
е
ч
и
м
и
Х
Лужні
метали
Таблицю наводимо мовою оригіналу
(перекладена лише легенда)
Застосування
Колір символа відповідає кольору елемента у
найбільш звичній чистій формі
Приклади: сріблястий метал
червона рідина
безбарвний газ
Людське тіло (10 найпоширеніших в організмі людини елементів)
Земна кора (8 найпоширеніших у земній корі елементів)
Магніт (феромагнетик за кімнатної температури)
Благородний метал (стійкий до корозії метал)
Радіоактивний (усі ізотопи радіоактивні)
Дуже мало у природі (менше, ніж мільйонна частка, у земній корі)
Не трапляється у природі (штучно створений)
Бла
го
газиродні
Група Група Група Група
Бору Карбону Нітрогену Оксигену Галогени
Перехідні метали
Надважкі елементи
Актиноїди Лантаноїди
Екатерина Никишова
Хімічний символ
ХИМИЯ В КАРТИНКАХ
какое агрегатное состояние и цвет имеет соответствующее про­
стое вещество при нормальных условиях;
принадлежит ли он к 10 наиболее распространённым в организ­
ме человека или 8 самым распространённым в земной коре;
является ли он ферромагнетиком при комнатной температуре;
устойчив ли к коррозии, если это металл;
радиоактивный ли он;
не создан ли он искусственно;
а быть может, его очень мало в природе.
3
Внимательно рассмотрев эту таблицу, мы можем
убедиться, что водорода много на Солнце и звёздах,
а в земной атмосфере есть кислород; бериллий со­
держат изумруды, в разных овощах и фруктах есть
калий, а кальций и фосфор – в костях, силиций со­
держат песок и камни и, конечно, что основой всех
живых организмов является углерод.
Внимательный исследователь таблицы увидит,
что в составе различных соединений нашего орга­
низма или в его свободных ионных формах больше
водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, фос­
фора, серы, хлора, калия и кальция. Водород и кис­
лород – макроэлементы, которые образуют воду,
которой в организме взрослого человека в среднем
приблизительно 65 %. Вода неравномерно распре­
делена в органах, тканях и биологических жидкостях
человека. В желудочном соке, слюне, плазме крови,
лимфе доля воды составляет 90–99,5 %; в моче, се­
ром веществе головного мозга, печени, коже, спин­
ном мозге, мышцах, лёгких, сердце – 70–80 %. Мень­
ше всего воды (40 %) содержит скелет.
Очень интересно биологическое влияние кис­
лорода на организм. Несмотря на то, что он нам по­
стоянно необходим для дыхания, при высокой кон­
центрации и давлении кислород действует как яд.
Кислородное отравление возможно при использо­
вании кислородных и регенеративных аппаратов,
искусственных газовых смесей для дыхания, во вре­
мя проведения кислородной рекомпрессии, а также
вследствие превышения лечебных доз в процессе
оксигенобаротерапии.
В земной коре наибольшую долю по массе со­
ставляют кислород, натрий, магний, алюминий,
кремний, калий, кальций и железо. Как видим, тут
преобладают металлы, в отличие от организма чело­
века, где первенство принадлежит неметаллам. Ин­
тересно, что химический состав земной коры отли­
Хімічний склад земної кори
4
О (46,6)
Si (27,8)
Al (8,1)
Fe (5)
Ca (3,6)
Na (2,8)
K (2,6)
Mg (2)
Інші (1,6)
чается от химического состава Земли в целом. Самым
распространённым элементом Земли является железо,
в отличие от земной коры, где больше всего кислоро­
да. Кроме того, химический состав земной коры посто­
янно обновляется за счёт миграции элементов между
разными слоями коры, а также вследствие того, что
между материками и океанами происходит взаимный
обмен веществ.
Устойчивых к коррозии – так называемых благо­
родных – металлов очень мало, а их содержание в
земной коре ничтожно мало. Именно такая редкость и
широкий спектр использования обусловили высокую
цену на благородные металлы. Самыми дорогими из
них являются (от самого дешёвого к самому дорогому)
рутений, осмий, золото, платина, родий. Особое место
среди благородных металлов издавна принадлежит
золоту. Ты его легко найдёшь в приведенной таблице:
ячейку золота украшают сразу две короны (одна – за
неподвластность ржавчине, другая – за то, что находит
широкое применение в ювелирном деле, да и вообще
словосочетание „золотая корона” уже превратилось в
устойчивое выражение).
Какие ещё металлы относят к благородным? Это
так называемые платиновые металлы (рутений, родий,
осмий, иридий, палладий, платина), рений и, конечно,
серебро. Платина обычно ассоциируется с ювелирным
делом, но в обеих таблицах мы видим, что её использу­
ют в стекольной промышленности для изготовления ла­
бораторной посуды. Кстати, важным компонентом для
изготовления такой посуды является родий. Из сплава
родия и платины изготовляют лабораторную посуду с
высокой химической и термической стойкостью. В то
же время компоненты из платины играют ключевую
роль в изготовлении стекла для панелей активных ма­
триц тонкоплёночных транзисторных жидкокристалли­
ческих дисплеев, которые используют в большинстве
телевизионных и компьютерных экранов, а родий в чи­
стом виде используют для изготовления зеркал и реф­
лекторов осветительного оборудования. В 70-е годы ХХ
столетия платину использовали также в автомобильных
5
катализаторах, которые обеспечивали сжига­
ние выхлопов автомобилей, следовательно,
улучшали экологическую ситуацию. Но со вре­
менем платина уступила место палладию. Се­
годня более 60 % всего палладия используют в
производстве автомобильных катализаторов.
Авторы второй таблицы больше сосре­
доточились на применении химических
Сонце і зорі элементов. Они указали не только сферу ис­
пользования простого вещества, которое со­
ответствует элементу, но и соединения этого
вещества или смесей, сплавов или растворов,
которые содержат их. Кроме того, они графи­
чески обозначили, в каком виде элемент су­
ществует в природе (в составе соединения, в
Ar1,01
чистом виде или в обеих ипостасях) и какое
агрегатное состояние имеет при комнатной
температуре.
Таким образом, вторая таблица дополня­
ет сведения об элементах, приведенных в
первой. Так, мы уже не только знаем, что во­
дород есть на Солнце, но и то, что на Земле
Ar4,00
этот газ используют в чистом виде как ракет­
ное топливо и для изготовления насыщенных
жиров1. Широкое применение имеет соеди­
нение водорода – аммиак: для изготовления
нитратных удобрений, взрывчатки, полиме­
ров, соды и других продуктов химической
промышленности.
А как насчёт следующего элемента – ге­
лия? В первой таблице видим только изо­
бражения воздушных шариков. Из второй
таблицы узнаём, что гелий в чистом виде – это
ещё и наполнитель дирижаблей и аэростатов,
охладитель в ядерном реакторе. А смесь ге­
лия и некоторых других газов (кислорода,
азота) используют для дыхания во время дай­
винга. Интересно, что при вдыхании гелия ме­
няется тембр голоса, его звучание приобре­
тает искусственный оттенок. Это происходит
О насыщенных и ненасыщенных жирах читай в статье Елены Князевой
„Осторожно, не съешь обёртку!” в журнале „КОЛОСОК” № 1/2013.
За кімнатної температури
Жовтийгаз
Червонийрідина
тверда
Білий
речовина
у
Зелений створена
твердому
вигляді
У природі
лише
сполуки
вільні
елементи
як елемент
і сполука
Використання
Назва
ε
m
c
ar
Атомний номер
Елемент
Суміш, сплав
чи розчин
Сполука
Відносна атомна
маса
вследствие того, что в гелии скорость звука выше, чем в воздухе, и
наш природный резонатор создаёт звук с той же длиной волны, но
с большей частотой. При переходе из заполненной гелием глот­
ки в воздух снаружи частота звука уже не уменьшается, поэтому
мы слышим этот вибрирующий высокий, совсем не похожий на
привычный человеческий голос. Одного вдоха из воздушного
шара, заполненного гелием, хватит, чтобы удивить друзей своим
необычным голосом. Однако дышать чистым гелием длительное
время нельзя: при отсутствии кислорода человек может потерять
сознание и даже умереть, если ему вовремя не оказать помощь.
Можно долго и подробно рассказывать об использовании
разных форм существования каждого химического элемента, тем
более что их спектр использования очень широк. Но таблицы уже
сделали это за нас просто и наглядно. Итак, присмотримся вни­
мательнее к ним и выясним, какие элементы в обеих таблицах
представлены одинаково.
В ячейке бора видим теннисные ракетки. Интересный выбор,
наверное, связан с тем, что их легче всего изобразить. В целом,
для изготовления теннисных ракеток используют также графит,
1
6
7
Ar10,81
алюминий, титан, кевлар. Ракетки, изготовленные
из соединений бора, не рекомендуют использовать
новичкам, потому что, несмотря на лёгкость и про­
чность, они передают ударные вибрации на руку и
плечо. Вместо этого рекомендуют приобрести ракет­
ки из соединений графита.
История мировой авиации тесно связана с алю­
минием и его сплавами. Поэтому и не удивительно,
что два самолётика „совершили посадку” в ячейках
№ 13 обеих таблиц. Впервые „авиационный” алюми­
ний появился в Германии в начале ХХ столетия. В
то время был запатентован и внедрён в производ­
ство открытый Альфредом Вильмом сверхпрочный
сплав – дюралюминий, названный так по месту его
открытия (г. Дюрен). В состав этого сплава входят
алюминий, медь, магний и марганец. Дюралюминий
фактически стал базовым для развития авиационных
сплавов. Сегодня алюминий широко используют
в авиационной промышленности. Доля алюминия
составляет от 2/3 до 3/4 сухой массы пассажирско­
го самолёта. Неоспоримыми являются достоинства
алюминиевых сплавов для создания объектов косми­
ческой техники. Ещё в 1865 году Жюль Верн в своём
фантастическом романе „Путешествие на Луну” де­
тально описал ракету из алюминия. И, как и боль­
шинство его прогнозов, это предсказание сбылось.
Благодаря высокой удельной прочности и жёсткости
алюминиевых сплавов из них изготовляют баки,
межбаковые и носовые части ракеты (от 1/20 до 1/2
сухой массы ракеты составляет алюминий). К преиму­
ществам алюминиевых сплавов следует отнести их
работоспособность при криогенных температурах в
контакте с жидким кислородом, водородом и гели­
ем. Они претерпевают так называемое криогенное
укрепление, то есть при уменьшении температуры
их прочность и пластичность возрастают.
Если ты хотя бы раз посещал плавательный бас­
сейн, то, наверное, ощущал специфический запах
хлора, который используют для дезинфекции воды.
Ar27,00
Ar35,45
8
Вот почему в ячейке № 17 обеих таблиц плещет вода и
плавают люди. Хлорирование воды используют и для
обеззараживания питьевой воды, впрочем, всё чаще
этот процесс стараются заменить озонированием.
Большинство из нас знает, что нить накаливания
лампы изготовлена из вольфрама. Этот факт иллюстри­
руют обе таблицы. Однако в ячейках аргона и в первой,
и во второй таблице вновь видим лампу накаливания.
Почему? Всё просто: аргоном заполняют стеклянные
колбы для снижения скорости испарения вольфрама
вследствие нагревания. Интересно, что в первых лам­
пах накаливания не было ни вольфрама, ни аргона.
Нити накаливания изготовляли из угля, а колбы были
вакуумными.
В ячейке железа видим мосты в обеих таблицах.
Вторая таблица подсказывает нам, что как материал для
строительства моста используют сплавы железа: сталь
и чугун. Самый известный в мире мост из чугуна так и
называется Iron Bridge („железный мост”). Этот мост че­
рез реку Северн находится в Великобритании. Он был
открыт в 1781 году и стал первым в мире металличес­
ким арочным мостом.
Возможно, некоторые и удивятся, увидев, что обе
таблицы поместили в ячейку никеля монеты. Конечно,
никель не всегда использовали для чеканки монет. В
древности монеты чаще всего чеканили из золота, се­
ребра и меди, а также их сплавов, иногда использовали
свинец, железо и олово. Сейчас кроме этих металлов
используют также алюминий, цинк, никель, палладий,
платину. Что касается никеля, то название этого металла
даже получил определённый вид монет – 5 центов США.
Интересно, что в ячейках галлия (в таблице 1)
и мышьяка (в таблице 2) видим похожие изобра­
жения электронных часов с одинаковой подписью
„Светодиоды”. Это легко объяснить. Для производства
светодиодов часто используют химическое соединение
галлия и мышьяка (арсенид галлия), который является
важным полупроводником.
Селен имеет фотоэлектрические свойства. Если по­
верхность, покрытую селеном, зарядить статическим
Ar183,85
Ar55,85
9
электричеством, а потом облучить светом, то на засвеченных
участках поверхности заряд исчезнет. Именно этот эффект
используют в роботе лазерных принтеров и копировальных
аппаратов, изображённых в ячейке селена в обеих таблицах.
В обеих таблицах также имеются ячейки с изображени­
ем посуды. Хотя, в первой таблице это ячейка хрома, а во
второй – серебра. Хром приютил в своей ячейке посуду по­
тому, что его добавляют к железу во время производства
нержавеющей стали, из которой изготовляют посуду, стой­
кую к окислению даже при высоких температурах, а значит,
долговечную. Серебро для изготовления посуды начали
использовать ещё в ХІІІ столетии. Сегодня столовое сере­
бро – это элитная посуда, чаще всего её покупают не для
повседневного использования, а для особых случаев, для
создания семейной реликвии и тому подобное.
А вот олово используют в производстве консервных
банок: им покрывают жестянки изнутри для предотвра­
щения окисления железа и порчи продуктов, которые
там хранятся. Иногда юные химики-любители даже ставят
опыты по получению олова из консервных банок. Именно
поэтому в ячейке олова в обеих таблицах красуется кон­
сервная банка.
А вот почему в ячейке йода видим в обеих таблицах
надпись „Дезинфекция”, наверное, догадались все. Кому
из нас мама в детстве не мазала разбитое колено йодом, а
точнее, спиртовым раствором йода?
В ячейке гафния видим атомную подводную лодку.
Скорее всего, это намёк на „Наутилус” – первую подво­
дную лодку, где были испытаны контрольные стержни из
гафния. Именно с этого момента, в 50-х годах ХХ столетия
возросло производство гафния благодаря его большо­
му значению для атомной техники. Это можно объяснить
его способностью поглощать тепловые нейтроны, а также
стойкостью к коррозии в горячей воде.
Анализируя первую таблицу, мы весьма подробно рас­
сказали об использовании благородных металлов. Но не­
справедливо обошли осмий. Этот металл достаточно долго
„искал своё призвание”. Поскольку это тугоплавкий металл,
из него сначала (после угля, но до вольфрама) изготовляли
нити накаливания в лампах. Но поскольку осмий достаточ­
но хрупкий, он не задержался надолго на этой „должности”.
Ar78,96
Ar107,87
10
Ar190,2
Ar126,9
Ar204,38
Позже именно хрупкость обеспечила осмию новую „ра­
боту”: раскрошенный до состояния порошка, он служил
катализатором для синтеза аммиака. Позже его заменили
порошковым железом. Но всё-таки нашлась „профессия”, в
которой осмий обошёл и даже устранил такого серьёзного
конкурента, как золото. Золотые авторучки – это очень пре­
стижно. Однако есть одна маленькая деталь в этой ручке, ко­
торую уж никак нельзя изготовить из золота, потому что оно
очень мягкое – это кончик пера. Во время письма перо ручки
выдерживает чрезвычайную нагрузку: на него давят сверху,
трут о бумагу – и достаточно долго! Поэтому перья авторучек
начали изготовлять из сплава твёрдых металлов платиновой
группы: осмия и иридия. Поэтому в обеих таблицах в ячей­
ке осмия лежит именно авторучка, а во второй таблице она
даже повёрнута к нам иридиево-осмиевым пером.
Интересно, а в какой ячейке ты нарисовал бы термо­
метр? Первый ответ, который приходит в голову, навер­
ное, – это ячейка ртути? Ведь именно ртутью заполняют
трубки термометров2. Но уже в первой таблице видим,
что термометр есть не только в этой ячейке, но и в со­
седней, которая принадлежит таллию. А в другой таблице
ситуация ещё удивительнее: там только таллий получил
изображение термометра. На этом изображении термо­
метр находится в руках тепло одетого человека на фоне
заснеженного пейзажа. На что намекают нам авторы этой
таблицы? На то, что сплав ртути с таллием используют в
низкотемпературных термометрах. Этот сплав имеет са­
мую низкую температуру плавления среди всех известных
металлов и сплавов (–60 °С).
Как видим из всех этих примеров, своё применение
химические элементы находят на основе физических и
химических свойств их простых веществ, соединений,
смесей и сплавов. Во многом всеми благами цивилизации,
которыми ежедневно пользуемся, мы обязаны химии и хи­
микам, которые открыли для нас все эти свойства. Поэтому
советуем внимательно рассмотреть обе приведенные
таблицы. Возможно, изображения в некоторых ячейках
тебя удивят и заинтригуют и вдохновят узнать больше об
окружающем мире и нас самих.
Почему именно ртутью заполняют трубки термометров, читай в статье Олега Орлянского „Теплота и
температура” в журнале „КОЛОСОК” № 4/2013.
2
11