Таблица Менделеева. Элементы уже близко

Чем же объясняется такая токсичность плавиковой кислоты при попадании на кожу? В отличие от своих других галогеноводородных кислот – соляной и бромоводородной (водные растворы HCl и HBr соответственно) – плавиковую кислоту можно отнести к слабым кислотам – в водном растворе она распадается на ионы крайне неохотно. Слабая диссоциация на ионы и крайне небольшой размер молекулы HF позволяет ей легко проникать через кожу и быстро мигрировать вглубь организма, где, наконец, и происходит её диссоциация с образованием фторид-иона. Фторид-ион F– прочно связываются с катионами кальция и магния, превращая их в нерастворимые в воде соли, которые отлагаются в окружающих биологических тканях. Ионы кальция и магния – кофакторы многих ферментов (низкомолекулярные вещества, способствующие правильной работе белков-катализаторов). Без кофакторов ферменты, критически важные для обмена веществ, прекращают работать, клетки начинают умирать, мышечная ткань разжижаться, а костная – разрушаться. Быстрая потеря организмом ионов кальция может привести к тому, что сердечная мышца прекращает свою работу. Смертельно опасным может оказаться ожог концентрированной плавиковой кислотой, поражающий всего 2,5% поверхности тела.

Токсичность и опасность плавиковой кислоты унесли жизни немалого числа химиков девятнадцатого века, среди которых были пытавшиеся выделить элементарный фтор бельгиец Полен Луйе и француз Жером Никле. В конечном итоге в 1886 году F₂ удалось получить Анри Муассану, использовавшему платиновый реактор для электролиза сжиженной при низких температурах HF (судьбе Анри Муассана в «Жизни замечательных устройств» я посвятил отдельную главу). В промышленных масштабах фтор до сих пор получают с помощью метода Муассана.

Иронично, что, хотя элементный фтор и фтороводород смертельно опасны для человека, атомы фтора входят в состав 20% фармацевтических препаратов, выведенных на рынок к настоящему времени. И антидепрессант прозак®, и понижающий уровень холестерина препарат липитор, и антибактериальное средство ципрофлоксацин своим успехам обязаны именно фтору и если и демонстрируют какие-либо побочные эффекты, то явно не те, которые связаны с фторидными отравлениями. Реакционная способность фтора, помимо прочего, объясняется тем, что он образует очень прочные химические связи с другими элементами, в первую очередь – с углеродом. Благодаря этим прочным связям фторорганические соединения являются одними из самых устойчивых и инертных. Фактор фторирования, известный фармацевтам, позволяет изменить химические свойства всей молекулы. Так, введение фтора в фармакологически активную молекулу позволяет защитить её от разрушения ферментами, увеличив тем самым время, в течение которого такое вещество будет находиться в организме, не разрушаясь, а это в свою очередь может снизить дозировку препарата. Другой эффект от введения фтора – форма молекулы-лекарства может быть слегка изменена, чтобы обеспечить ей более прочное связывание со своей мишенью – белком или нуклеиновой кислотой. Для этих манипуляций не нужен молекулярный фтор или плавиковая кислота, поэтому их можно осуществить в обычной химической лаборатории, снабжённой стандартными мерами безопасности.

Многие из нас могут поблагодарить фтор за белоснежную улыбку – в состав зубных паст, предотвращающих развитие кариеса, входят фторид натрия и фторфосфат натрия. Фторид-ион не столько сокращает содержание в ротовой полости вырабатываемых микроорганизмами кислот, разрушающих эмаль (нейтрализовать эту кислоту мог бы и обычный карбамид-мочевина), сколько участвует в процессе восстановления зубов, образуя фторапатиты (фторфосфаты кальция), более устойчивые к действию кислот, чем образующие зубную эмаль апатиты (фосфаты кальция). Впрочем, лекарствами и зубными пастами роль фтора в заботе о нашем здоровье не оканчивается – фторированные анестетики изофлуран и десфлуран заменили огнеопасный эфирный наркоз; фторированные углеводороды рассматриваются как материалы для получения «искусственной крови» – кислород растворяется во фторуглеводородах гораздо лучше, чем в любых других безопасных для организма жидкостях. Радиоактивный же нуклид фтора 18F применяется в позитрон-эмиссионной томографии, позволяющей, например, обнаружить злокачественные образования на ранних стадиях.

Фторсодержащими соединениями занимается не только тонкий органический синтез, отвечающий за получение новых лекарств, но и крупнотоннажная химия. Самый известный представитель этой крупнотоннажной химии – фторсодержащий полимер тефлон, не дающий продуктам пригореть на сковородке и защищающий спирали электрического чайника от накипи (истории и свойствам тефлона посвящена отдельная глава в «Жизни замечательных веществ»). Нагрев и растяжение позволяет получить из тефлона материал Gore-Tex, применяющийся для изготовления мембранной одежды для занятий спортом и активного отдыха.

Долгое время фтор считали «диким зверем химии». И, хотя «тёмная сторона фтора» никуда не делась, мы вполне обоснованно можем сказать, что приручили его. Более того, известно очень немного фторсодержащих органических веществ природного происхождения, так что мы точно можем заявлять, что нашли этому элементу лучшее применение, даже чем сама Природа.

10. Неон

Название этого элемента давно стало именем нарицательным, обозначающим способность просто светиться: «Неоновые огни реклам», «У мене внутре… гм… не… неонка», «Это бит вечерних авто, это бит ночного метро, это бит неоновых фонарей». Список можно продолжать. Более ста лет назад, в 1910 году, была сконструирована первая газоразрядная лампа, заполненная неоном, и вскоре огни различных ламп, работающих по одинаковому принципу и объединенные общим названием «неоновые», проникли в язык и культуру.

Будем откровенны – во многих «неоновых лампах» неона вообще нет. Неоном заполнена только газоразрядная лампа, дающая красный цвет. Остальные 150 цветов, которыми могут светить «неоновые» лампы, получают, заполняя их аргоном или ксеноном, парами ртути и люминофором в различных соотношениях и при разном давлении. Но именно то красное свечение и объявило миру об открытии нового элемента.

Первым инертным газом, который был открыт на Земле, был аргон – он был выделен в 1894 году, в 1895-м был получен первый «земной» образец гелия, и оказалось, что «солнечный металл» – совсем не металл (см. главу 2). В какой-то момент сэр Уильям Рамзай осознал, что, если взглянуть на его находки через призму Периодического закона коллеги Менделеева, получается, что он нашел первый и третий химический элементы новой группы. Чтобы доказать обнаружение нового класса химических элементов, попутно подтвердив всесильность и верность Периодического закона, Рамзаю нужно было заполнить пустоту между гелием и аргоном.

В 1898 году Рамзай с Моррисом Траверсом поставили удачный эксперимент – они позволили твёрдому аргону, окружённому сжиженным воздухом, медленно испаряться при пониженном давлении, отбирая фракцию, первой переходящую в газообразное состояние. Отобранную фракцию поместили в атомный спектрометр, и, как записал в дневнике Траверс, «…малиновое свечение в трубке рассказывало свою собственную историю, оно было зрелищем, от которого было сложно оторваться…».

Популярный русскоязычный анекдот говорит, что Рамзай тут же телефонировал своему коллеге, лорду Рэлею, и между ними произошёл следующий диалог:

– А мы тут с Траверсом новый инертный газ открыли…

– Опять аргон, наверное?

– Нет, не он!

Естественно, такого не было, но реальная история получения элементом №10 имени не менее анекдотична. Тринадцатилетний сын Рамзая предложил назвать новый газ «новумом» (от латинского – «новый»). Рамзай-папа одобрил идею Рамзая-сына, но решил, что греческое слово «неон» будет благозвучнее. Так новый элемент занял свое временное положение в Периодической системе (первоначально инертные газы, как элементы, проявляющие «нулевую» валентность, были поставлены в нулевую группу таблицы Менделеева), а Рамзай в 1904 году получил Нобелевскую премию по химии.

Первоначально неон и другие инертные газы казались «неведомыми зверушками» Периодической системы – их инертность не давала возможности учёным представить, где же их можно применять. Потребовалось воображение французского химика, инженера и изобретателя Жоржа Клода, который первым догадался посмотреть, что произойдет, если пропускать электрический разряд через неон, находящийся в запаянной стеклянной трубке. Появлявшееся при пропускании тока красное свечение натолкнуло Клода на мысль создать источник света, альтернативный лампам накаливания. Он изготовил несколько таких ламп (сейчас мы называем их газоразрядными) и впервые продемонстрировал их на Технической выставке в Париже 11 декабря 1910 года. Демонстрация поразила зрителей, но ни один из них не приобрел ни одной лампы – освещать свои дома красным светом люди не были готовы. Однако неудача с быстрой коммерциализацией новых ламп не обескуражила Клода – в 1915 году он запатентовал изобретение, а позже, пытаясь все же заработать на нём, понял, что с помощью стеклодува можно превратить трубки в буквы, которые будут светиться. Это предопределило применение неона – в 1923 году была организована компания «Клод Неон», начавшая продажи неоновой рекламы в Соединённых Штатах. Первоначально неоновые лампы называли «жидкими огнями», а изготовленные из них вывески горели круглосуточно, завлекая любопытствующих прохожих. Неон получали фракционным сжижением воздуха, и нескольких тонн, ежегодно добываемых в 1920-е годы, вполне хватало на нужды рекламы.

Неон не только заставил рекламу светиться, он помог раскрыть секреты самого важного из источников света для нашей планеты – Солнца. В солнечном ветре (частицах, вырывающихся из Солнца и разлетающихся по Вселенной) содержится два изотопа неона – неон-20 и неон-22. Эти же изотопы находятся в лунных скальных породах, что, впрочем, неудивительно – миллиарды лет солнечный ветер «обдувал» наш естественный спутник, не имеющий защитной атмосферы, и частицы солнечного ветра попадали на Луну. Удивительно было другое – в глубине лунных пород соотношение 22Ne/20Ne было выше, чем у поверхности. Первоначально эти результаты интерпретировались тем, что когда-то Солнце было более активно, чем сейчас, выбрасывая частицы с большей энергией, которым удавалось «глубже зарыться» в породу. Однако изучение пробывшего в космосе два года металлического стекла – фрагмента потерпевшего в 2004 году крушение космического Genesis – заставило изменить предположение. Оказалось, что распределение изотопов неона в металлическом стекле такое же, как и в лунной породе, – сверху больше легкого неона-20, в низлежащем слое – неона-22. Поскольку даже теоретически было сложно предположить существенное изменение солнечной активности за два года, не говоря уже про то, что слежение за Солнцем во время полёта Genesis говорило о том, что средняя активность нашего светила не менялась, объяснение различного изотопного содержания на разных глубинах стали объяснять явлением космической эрозии – удары микрометеоритов и других частиц просто способствуют удалению части неона с поверхности породы, так что поведение Солнца оказалось более предсказуемым. Жидкий неон также можно использовать в качестве охладителя в криогенных установках, смесь неона и гелия используют как рабочую среду в газовых лазерах, а также неоном разбавляют кислород для работающих на глубине водолазов для предотвращения ряда состояний, известных в общем случае как глубинные или кессонные болезни.

11. Натрий

Когда я был студентом, у нас была доставшаяся от предшественников традиция – в майские праздники нагружаться рюкзаками, палатками и спальниками, садиться в поезд Казань – Йошкар-Ола и отправляться за 100 километров от Казани праздновать День химика у марийской реки Юшут, в месте, известном как «Большая химическая поляна».

Однажды, на рубеже восьмидесятых и девяностых годов прошлого века, когда старые запреты уходили в прошлое, а новые ещё не появлялись, к поляне, где уже разбили свой лагерь студенты, аспиранты и молодые преподаватели химфака Казанского университета, в сумерки пришвартовалось несколько байдарок, и высадившиеся из них в стиле викингов из современных сериалов бывалые туристы (тм) заявили, что это поляна их и нам, туристам-салагам, стоит сняться с бивака и найти себе новое место. Нас было больше раза в три, уступать поляну мы не хотели, и в результате переговоров стороны решили, что «места всем хватит», и бывалые туристы уже начали разгружать свои суда. Именно тут у берега оказался наш профорг, который в момент переговоров ходил за валежником, и с криком: «Ну что, начинаем праздновать», – бросил что-то в воду. Сумерки марийской лесной реки озарились вспышками, вниз по течению поплыли ярко-жёлтые огоньки, которые не тушила вода, и в свете этих огней байдарки с туристами довольно резво поплыли вверх по течению – трюк, для исполнения которого на быстрых реках марийской тайги требуется хорошая физическая подготовка вкупе с резким выбросом адреналина. Так бывалые туристы (тм) познакомились с реакцией между натрием и водой. Дело в том, что традиционным ритуалом Дней химика в те времена было стравливание в речной воде кусочков натрия, оставшихся в лабораториях химфака после очистки растворителей и синтезов. Студенты и аспиранты начинали готовиться к этому «фейерверку» с сентября, и чем выше было пламя, тем более удавшимся считался очередной День химика. От той же традиции и пошла кричалка: «Не хотите быть калекой? Киньте дальше натрий в реку».

Как это часто бывает в химии, металлический натрий опасен, если работать с ним без предосторожности, а его соединения есть на каждой кухне – ионы натрия являются важными для жизнедеятельности всех живых организмов. Высокая химическая активность натрия, в частности та самая его способность активно реагировать с водой и другими веществами, приводит к тому, что в земной коре натрий встречается только в виде соединений и никогда – в свободном виде. Натрий достаточно распространён в земной коре – он составляет 2,6% от её массы. Наиболее распространёнными соединениями натрия в природе являются хлорид натрия (каменная или поваренная соль) и цеолиты.

Человечество давно применяет соединения натрия – во времена палеолита наши предки начали использовать каменную соль, не ставшую ещё поваренной (поваренное искусство еще не появилось), в качестве консерванта охотничьих трофеев. В Древнем Египте появляется первое письменное упоминание о производных натрия – появляется иероглиф, который читается как «натар» и обозначает смесь поваренной соли и кристаллической соды (десятиводного карбоната натрия Na₂CO₃×10H₂O). В Египте натар применялся как мыло, а также был обязательной частью составов для бальзамирования и мумификации – натар хорошо поглощает воду, а его щелочная среда позволяла истреблять бактерии. Нетрудно заметить, что международное латинское название натрия, равно как и современное его название в русском и ряде других языков, восходит к древнеегипетскому термину. Английское название натрия – sodium – тоже имеет восточные корни, но уже арабские. В средневековой Европе карбонат натрия использовали для врачевания головной боли, это снадобье называлось «соданум», а этот термин, в свою очередь, происходил от арабского «суда» – «головная боль». В нашем языке арабский корень остался в названиях различных форм карбонатов натрия – сод и даже натриевой щёлочи – каустической соды, хотя, конечно, в наши дни последнее название безнадёжно устарело. Именно при пропускании постоянного электрического тока через расплавленную каустическую соду сэр Хэмфри Дэви впервые выделил металлический натрий из расплавленной натриевой щёлочи (NaOH). Процесс разрушения веществ с помощью электрического тока получил название «электролиз», и Дэви с его помощью смог получить также и другие активные металлы – калий, кальций, магний и барий.

Металлический натрий, как и большинство металлов, серебристо-белый, его легко можно разрезать ножом или столь популярным в наших лабораториях скальпелем. Однако блестящим и серебристым натрий остается недолго – он быстро окисляется на воздухе и загорается при контакте с водой, ну а выделяющийся при этом водород, взрываясь, добавляет зрелищу красочности и звуковых эффектов. Способность натрия реагировать с водой применяется в лабораториях для очистки от воды некоторых органических растворителей, просто кипятя растворитель над кусочками натрия (главное, чтобы сам органический растворитель не реагировал с натрием и воды в нём было не так уж много). Если мы очищаем от воды, например, бензол, нам приходится нарезать кусочек натрия на тонкие-тонкие пластинки, а если толуол – такой необходимости нет. В чем причина? Металлический натрий «ловит» воду только поверхностью, а его шинковка увеличивает площадь поверхности, следовательно, увеличивая эффективность реакции. Однако натрий очень легкоплавкий, его температура плавления равна +98 °С, то есть в растворителях с более высокой температурой кипения (у толуола температура кипения +110,6 °С) кусочки натрия все равно расплавятся и сольются в почти идеально шарообразную каплю натрия, рабочая поверхность которой постоянно будет очищаться. Как и другие его родственники – щелочные металлы, натрий и его соединения можно определить по цвету пламени – при внесении соли натрия в бесцветное пламя газовой горелки пламя окрашивается в интенсивный жёлто-оранжевый цвет – в интернете можно найти немало красочных роликов-демонстраций на эту тему.

Натрий и его соединения применяются в столь разнообразных областях, что вряд ли можно перечислить их все даже в отдельной книге. Из наиболее интересных можно привести в пример применение натрия для охлаждения ядерных реакторов – он достаточно легко плавится, как и все металлы, отличается хорошей теплопроводностью, и, если вода закипает через два градуса после того, как натрий переходит в жидкое состояние, натрий начинает кипеть при температуре 883 °С, оставаясь жидким теплоносителем в широком интервале температур. Наш домашний реактор-лаборатория тоже не обходится без натрия – при готовке мы применяем пищевую соду или гидрокарбонат натрия. Очень часто мы используем это вещество для бездрожжевой выпечки – при 70 °C пищевая сода разлагается с выделением углекислого газа, который и заставляет бездрожжевое тесто подниматься.

Ион натрия важен для организма – совместно с калием натрий создает условия для мышечных сокращений, нормализует водный баланс организма и активирует некоторые ферменты. В среднем человеку необходимо не более двух граммов натрия в день, который он в основном потребляет с поваренной солью. Если посчитать, за год нормальной дозой поваренной соли для человека будет 1,85 килограмма, то есть, чтобы съесть пресловутый пуд соли на двоих, нужно потратить 4–5 лет (именно поэтому, вероятно, и появляется кризис пятилетки отношений – за пять лет партнёры узнают друг друга во всех подробностях, что не всегда вяжется с их ожиданиями).

12. Магний

Лето 1618 года выдалось очень засушливым для Европы – и люди, и животные были готовы утолить жажду из любого мутного ручейка, в который превратились многие полноводные реки. Однако в разгар засухи фермер из английского графства Суррей Генри Викер заметил водоём, заполненный прозрачной и чистой водой, из которого отказывались пить даже очень страдающие от жажды овцы.

Викер обнаружил, что вода из водоёма горька на вкус, а при её испарении образуется белая соль, обладающая слабительным действием. Так была обнаружена горькая, она же эпсомская, она же английская соль (сульфат магния, MgSO₄), которая три с половиной века применялась для лечения запоров.

О том, что магний является элементом, первым в 1755 году предположил шотландский химик Джозеф Блек. Загрязнённый большим количеством примесей металлический магний, нагревая смесь древесного угля и порошка магнезии (оксида магния MgO), впервые выделил в 1792 году австриец Антон Руппрехт. Руппрехт назвал элемент «аустурием» в честь Австрии. Название «магний» дал элементу Хэмфри Дэви, в 1808 году получивший образец этого элемента в чистом виде. В качестве исходного вещества для своего эксперимента Дэви взял минерал магнезит (MgCO₃), названный в свою очередь в честь греческого города Магнесия, в окрестностях которого его издревле добывали.

на Земле – он находится в активном центре хлорофиллов, позволяющих растениям запасать солнечную энергию в химическую, превращая молекулы углекислого газа и воды в глюкозу, которая затем превращается в целлюлозу или крахмал, равно как и многих других критически важных для обмена веществ молекул. С пищей человек в среднем потребляет 300–400 миллиграммов магния в сутки, что обычно покрывает суточную потребность организма в этом элементе. Дефицит магния может приводить к развитию таких состояний, как бессонница, хроническая усталость, остеопороз, артрит, мышечные спазмы, аритмия или запоры. Незначительный недостаток магния в организме можно пополнить, поедая миндаль, кешью, сою, мозги или шоколад – все они богаты магнием. Магния много в некоторых марках британского пива, вероятно из-за того, что при его варке применяют воду с высоким содержанием сульфата магния (остается надеяться, что слабительный эффект от такого пива проявляется позже освежающего).

Магний – седьмой по распространенности элемент в земной коре и третий в расплавленной мантии Земли, состоящей преимущественно из силикатов магния – оливина и пироксена. Магния много в морской и океанской воде, так что фотографам конца XIX – начала ХХ века было из чего добывать магний, чтобы размалывать его в порошок и применять в первых фотовспышках. В наши дни металлический магний получают электролизом расплава его хлорида.

Магний горит, выделяя огромное количество тепла, и, если он загорается, потушить его практически невозможно – горение магния поддерживают не только кислород и азот атмосферы, но и самое распространённое средство пожаротушения – вода. Во время Второй мировой войны американские оружейники разработали зажигательную авиационную бомбу М69, большая часть от 2,7 килограмма которой приходилась на магний. При активации боеприпаса загоралась термитная смесь (смесь порошков оксида железа и металлического алюминия), термит поджигал магний, который содержался как внутри корпуса бомбы, так и представлял большую часть её корпуса, ну а горящий магний поджигал на поверхности земли все, что могло гореть, попутно понижая содержание кислорода. Как свидетельствуют отчеты американских ВВС, особенно эффективными такие зажигательные боеприпасы оказались при бомбежках Японии, в городах которой было очень мало каменных строений.