Таблица Менделеева. Элементы уже близко

Как и многие другие металлы, кобальт не присутствует в земной коре в свободном виде. Чаще всего в природе его можно встретить в виде сульфидных минералов, чаще всего сопутствующих минералам меди или железа. Из-за того, что кобальт залегает в месторождениях с другими металлическими рудами, зачастую для добычи и производства кобальта ведётся переработка отходов производства меди или железа. Однако, железные и медные месторождения – не единственные потенциальные источники кобальта и других переходных металлов – оксидные минералы кобальта и марганца в значительном количестве можно найти на дне мирового океана.

Тот факт, что кобальтовые руды обычно сопутствуют рудам других металлов, привело к тому, что кобальт был открыт достаточно поздно – в 1735 году его выделил в металлическом виде и очистил шведский химик Георг Брандт. Кобальт встречается и в смешанных рудах, содержащих мышьяк, именно такую руду разрабатывал Брандт, что, возможно, и обусловило причины выбора названия этого элемента. Название «кобальт» происходит от слова «кобольд». Для тех, кто не играет в компьютерные игры и не читает сказки для взрослых, поясню, что кобольды – мелкие и при этом враждебные человеку персонажи германского фольклора (те кобольды, которые на судах Вильгельма Завоевателя доплыли до Англии, впоследствии сменили фамилию и теперь известны как гоблины). Кобальт стал «гоблинским металлом» из-за того, что мышьяк-кобальтовые руды практически было невозможно обрабатывать, не надышавшись при этом парами соединений мышьяка. Многие металлурги, работавшие с рудой, которую изучал Брандт, теряли здоровье и умирали, что воспринималось как месть кобольдов за добычу руды в горах, принадлежащих этому малому народцу, служившему Неблагому Двору Фей.

Кобальт нельзя назвать распространённым в земной коре элементом. Несмотря на то, что это лёгкий переходный металл, который так же, как и железо, образуется во время вспышек «сверхновых», содержание кобальта в земной коре примерно в 2500 ниже, чем железа. Тем не менее этот металл важен для жизни и в следовых количествах. Кобальт входит в состав ряда биологически активных веществ, чаще упоминаемых под общим названием «кобаламины» или витамин В₁₂. Кобаламины способствуют протеканию ряда биохимических процессов, связанных с реакциями окисления или переноса групп атомов. Одним из недавно обнаруженных следствий дефицита кобаламина является появление клинических депрессий у людей пожилого возраста.

Окрашенные соединения кобальта были известны и применялись уже в третьем тысячелетии до нашей эры – людей древности, как и меня в седьмом классе, привлекла их яркая и насыщенная окраска. В египетских гробницах находят надписи, сделанные кобальтовыми пигментами, и содержащие кобальт синие ожерелья. Первое синее кобальтовое стекло, найденное на территории Греции, датируется сотым веком до нашей эры. В Китае во времена династии Тан также применяли кобальт для окраски стекла. Строго говоря, до начала ХХ века единственное для чего применялся кобальт – изготовление пигментов, однако с развитием металлургии ситуация поменялась.

Кобальт – очень твёрдый металл серебристо-блестящего цвета, один из трёх переходных металлов, проявляющих ферромагнитные свойства в чистом виде (кроме кобальта в эту троицу входят железо и никель). Металл отличается высокой механической прочностью и высокой температурой плавления, он сохраняет магнитные свойства при температуре, самой высокой для всех ферромагнитных элементов. Высокая прочность и температура плавления позволяют использовать кобальт в том, что называется «суперсплавы», – сплавы, сохраняющие прочность при высоких температурах. Суперсплавы и покрытия из кобальта применяют для изготовления таких конструкций, как цепи электропил или турбины реактивных двигателей самолетов.

Магнитные свойства кобальта были использованы японскими металлургами: в тридцатые годы они изобрели сплав, материал для постоянных магнитов альнико (alnico magnets), в которые кроме алюминия (Al), никеля (Ni) и кобальта (Co), входило железо. Во второй половине ХХ века редкоземельные металлы стали основой для более прочных и более сильных постоянных магнитов. Один из таких материалов, сплав самария с кобальтом, сохраняет магнетизм при нагревании до 800 °C, не теряя при этом прочности, – его применяют в высокоскоростных моторах. Кобальт также применяется в источниках питания для записи информации на магнитные ленты или жёсткие диски.

Однако элементом кобольдов кобальт быть не перестал. В 1960-е годы некоторые пивоваренные заводы добавляли в свое пиво хлорид кобальта, потому что он помогал стабилизировать пивную пену. К 1967 году более 100 потребителей «пива с кобальтом» начали страдать от сердечной недостаточности, и почти половина из них умерла. Исследования показали, что в описанных случаях вред кобальта наложился на плохое здоровье потребителей пенного напитка. Вскоре после диагностики патологий, получивших название «кардиомиопатия кобальта-пива», применение хлорида кобальта в качестве пищевой добавки было запрещено.

28. Никель

С никелем крепкими узами связан учёный по фамилии Монд, хотя и не он открыл этот элемент, но он, как минимум, обнаружил производное этого элемента, давшее начало целому классу интересных химических веществ – с тремя представителями этого класса работаем я и моя исследовательская группа. То самое обнаруженное Мондом производное никеля когда-то, во времена позднего СССР, когда ветеринарные клиники не были распространены, как сейчас, один из моих старших коллег использовал для избавления от мучений страдавшего терминальной стадией рака кота.

Никель был открыт в XVIII веке двумя шведскими химиками – Акселем Фредериком Кронштедтом и Торберном Улафом Бергманом. В 1751 году Кронштедт изучил красный никелевый колчедан (NiAs), получил оксид зелёного цвета, из которого выделил новый металл, названный никелем. Своим названием никель, как и его сосед кобальт, обязан злым горным духам. Шахтёры в Саксонии хорошо знали руду, похожую на медную, – именно её и изучал Кронштедт. Эта руда даже находила применение – ею окрашивали стёкла в зелёный цвет. Но вот незадача, все попытки получить из этой руды медь оказались неудачными, в связи с чем в конце XVII в. руду назвали «купферникель» (Kupfernickel) – «медь Никкела». Никкел был еще одним персонажем фольклора немецких горняков – по одной версии, разновидностью кобольда, по другой – неупокоенным духом шахтера Николаса, которого коллеги бросили в обваливающейся шахте. В любом случае Никкел не желал добра рудокопам, подкидывал им неправильную руду, из которой нельзя было выделить медь, опять же дававшую при обжиге ядовитые пары, содержащие мышьяк. В 1775 году Бергман, получив более чистый образец никеля, сделал вывод о том, что этот металл гораздо ближе по свойствам железу, нежели меди.

После разработки промышленного способа выплавки никеля этот металл стал использоваться для изготовления сплавов и нанесения металлических покрытий – никелирование придавало блеска металлическим изделиям, никелевое покрытие защищало металлы от коррозии, и какое-то время даже делались попытки использовать никель в ювелирном деле. Но тут старый Никкел показал, что это все же его металл – оказалось, что не корродирующее даже во влажном воздухе никелевое покрытие совсем незначительно растворяется в поте человека, надевающего такое ювелирное изделие, но этого «чуть-чуть растворяется» было достаточно для раздражения кожи, в некоторых случаях переходившего в сильную экзему.

Людвигу Монду – немецкому химику, эмигрировавшему в Великобританию в 1862 году – удалось обнаружить новый класс химических соединений, попутно разработав способ получения высокочистого никеля. Открытие, как это часто бывает, началось с проблемы: в ходе эксперимента Монд пропускал моноксид углерода (СО, угарный газ) через краны и клапаны из никеля, и, хотя эти же краны обеспечивали герметичное соединение при работе с кислородом и другими активными газами, СО они не могли удержать. Раз за разом наблюдая, как из-за недостаточно герметичной системы газовых коммуникаций срывается эксперимент, Монд решил выяснить, что же не так с этими никелевыми кранами, и обнаружил нечто неожиданное: никель корродировал в токе моноксида углерода, образуя тетракарбонилникель (Ni(CO)₄). Так были открыты карбонильные комплексы, полученные затем и для других металлов. Ещё одной неожиданностью для Монда и его коллег было то, что в отличие от соединений металлов, известных в XIX веке и представлявших собой при комнатной температуре либо твердые тела, либо жидкости с достаточно высокой температурой кипения, тетракарбонилникель был легколетучей жидкостью, кипящей при температуре 44 °С. Низкая температура кипения и высокая летучесть тетракарбонилникеля требует особых мер предосторожности при работе: если вдохнуть это вещество, в организме оно разлагается с выделением токсичного ударного газа, попутно формируя отложения никеля на легких. Тетракарбонилникель очень ядовит: его предельно допустимая концентрация составляет 0,0005 мг/м³ (если сравнивать, для хлора она в 60 раз выше – 0,03 мг/м³). Однако Монда привлекла не токсичность обнаруженного соединения, а то, что при нагревании Ni(CO)₄ легко разрушается на никель и СО, – это давало возможность просто выделять никель из смеси с другими металлами и очищать его (моноксид углерода при этом можно было бы применять повторно).

Монд был не только наблюдательным химиком, но и человеком с коммерческой жилкой. Он запатентовал процесс очистки никеля и организовал компанию, которая могла себе позволить продавать сверхчистый никель дешевле конкурентов. Доходы от продаж шли в развитие, и в 1926 году компания Mond Nickel Company стала одной из четырех крупных химических компаний Британии, слияние которых породило промышленного гиганта Imperial Chemical Industries (в 2008 году ICI вошла в состав промышленного конгломерата AkzoNobel).

В 1960-е годы началось применение никеля в нефтехимической промышленности: немецкий химик Гюнтер Вильке нашёл и внедрил в производство реакции органических соединений, катализируемые никелевыми комплексами. В ХХ веке появились новые никелевые сплавы особого назначения: инвар (сплав железа с никелем), который практически не расширяется и не сжимается при изменении температуры; монель (сплав никеля с медью), который настолько устойчив к коррозии, что его не берёт даже фтор; нитинол (сплав титана с никелем) – ещё один коррозионно устойчивый сплав, который ещё и обладает памятью формы. Это свойство заключается в том, что если деталь из нитинола сложной формы подвергнуть нагреву до красного каления, то она «запомнит» эту форму. После остывания до комнатной температуры форму детали можно изменить, но при нагреве выше 40 °C она восстановит первоначальную форму. Ну и, наконец, во многих странах никель стал монетным металлом – из него чеканят металлические деньги, а в США до сих пор имеющая хождение монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «никель».

29. Медь

Если никель стал монетным металлом сравнительно недавно, то медь используется для изготовления эквивалента товаров с начала товарно-денежных отношений – чеканка монет из меди, серебра и золота начинается с того момента, когда деньги были изобретены. Из трёх древнейших монетных металлов о меди сложилось впечатление как о Золушке: «Золото – хозяйке, серебро – слуге, медяки – ремесленной всякой мелюзге», и, благодаря художественной литературе и фильмам, складывается впечатление, что получавшие по несколько медяков в день ремесленники и подёнщики Средневековья еле выживали и при любом удобном случае бежали в условный Шервуд к условному Робин Гуду.

Это не так. Например, в XIV веке в Англии на один медный пенс (тот самый медяк) можно было купить или курицу, или дюжину яиц, или галлон (около 4 литров) дешёвого пива. Медные копейки, введённые в России Петром I (до Петра Алексеевича российская копейка чеканилась из серебра), имели близкую покупательную способность. Понятно, что на несколько медяков в неделю шиковать не приходилось, но свести концы с концами было можно. Можно ли сейчас купить что-то на пятицентовик (в котором на самом деле никеля только 25%, а остальное – медь), я так и не нашёл.

Скорее всего, проблема меди была в другом. Если из серебра и золота можно было и чеканить монеты, и изготавливать ювелирные изделия, то медь явно не годилась на кольца и ожерелья – этот металл будет взаимодействовать с компонентами пота, окрашивая кожу в месте контакта в зелёный цвет.

Историки уверены, что медь – это первый металл, который люди начали добывать и извлекать из руд. Есть исторические свидетельства в пользу того, что инструментами, полученными обработкой металлической меди, пользовались уже десять тысяч лет назад, хотя «официально» энеолит – медный век – длился IV–III тысячелетия до н. э. Около тысячи лет человечеству хватило на понимание того, что медь сама по себе металл мягкий, и в ряде случаев инструменты из неё по долговечности уступают традиционному камню, и эра чистой меди сменилась эрой её сплава с оловом – наступил бронзовый век.

В славянских языках происхождение слова «медь» неясно. По одной версии, его предок – древнегерманские слова smida (металл) и schmied (кузнец, ремесленник), по другой – регион, который мог служить источником меди, – Мидия. То, откуда произошло международное латинское название меди, – cuprum – остров Кипр, где в античности существовали медные рудники и производилась выплавка меди. Поскольку на Кипре по легенде родилась Афродита – богиня в том числе и красоты, а первые зеркала делали из отполированных до блеска медных листов, медь быстро стала «женским металлом», и в алхимических традициях соотнесения металла и небесного тела («Семь металлов создал Свет по числу семи планет») изображалась в виде зеркала Венеры.

Переход к железному или нашему, «полимерному», веку не понизил значимость и востребованность меди. Её химическая инертность, относительная дешевизна и высокая электропроводность делают её наряду с алюминием самым распространённым материалом для изготовления проводов. Хотя медь легко подвергается вторичной переработке и около 80% всей меди, произведённой человечеством, продолжает использоваться и в наши дни. С 1986 мировая цена на медь выросла в среднем в два с половиной раза.

Медь интересна не только своей ролью, которую сыграла и продолжает играть в развитии человеческой цивилизации как металл – объект мегатоннажного производства. Комплексы одновалентной меди в начале 2000-х годов оказались катализаторами циклоприсоединения по Хьюсгену, ставшего одним из важных процессов, которые относятся к «клик-химии». Этот термин был введен в 2001 году американским химиком Барри Шарплессом для описания быстрых, однозначно протекающих реакций между органическими соединениями, легких в исполнении, а также в выделении и очистке целевого продукта. Такое направление химии интенсивно развивается, позволяя проводить быструю модификацию природных соединений и известных фармацевтических препаратов, разработку новых лекарств, а также создавать новые типы полимерных материалов.

Медь относится к следовым элементам, необходимым для всех высших растений и животных. Практически для всех организмов роль меди сводится к тому, что она присутствует в активных центрах ферментов, ускоряющих процессы окисления/восстановления, тем самым играя значительную роль в процессах усвоения кислорода и клеточного дыхания. В крови головоногих и брюхоногих моллюсков медь входит в состав белка – переносчика кислорода гемоцианина, который выполняет ту же функцию, как, скажем, у кальмара, за которую у человека отвечает гемоглобин. Поэтому кровь осьминогов, кальмаров и каракатиц, обогащённая кислородом, будет действительно голубой, однако со вторым признаком благородства происхождения – белой костью – головоногим и брюхоногим не повезло совсем: у них вообще нет костей, ни белого, ни какого-либо другого цвета.

Для взрослого человека рекомендуемая суточная норма потребления меди составляет 0,9 миллиграмма. Дефицит меди может приводить к повышению артериального давления и возрастанию содержания холестерина. Интересно, но перебрать до опасной концентрации медь очень легко – пожалуй, это единственный микроэлемент, для которого различие между рекомендуемой и опасной дозами очень незначительно: потребление более 3 миллиграммов меди в сутки уже нежелательно. Именно поэтому соли меди (чаще всего медный купорос) применяются как инсектициды и фунгициды, их даже разрешается использовать в «органическом земледелии», хотя насколько это безопаснее синтетических органических пестицидов, применяющихся в традиционном земледелии в дозировках меньших, чем медный купорос, – вопрос непростой.

30. Цинк

С точки зрения литературных и общежитейских метафор цинку не повезло: серые цинковые реки, волны и урны из стихов Бродского, появившаяся в нашей стране с 1980 года страшная фраза «Вернуться домой в цинке». Конечно, цинк как материал не виноват, что сам по себе он тусклый и серый, а оцинковка – один из самых распространённых способов защиты железа и стали от коррозии.

Цинк, если опять вспомнить Бродского, «трудолюбив, но незаметен». Он защищает сталь от появления ржавчины, успокаивает солнечные ожоги, препятствует возникновению перхоти, но мы редко обращаем внимание на этот тускло-серый металл. Даже происхождение его названия неясно.

Слово «цинк» впервые встречается в 1650-х годах в трудах Парацельса. Возможно, это название произошло от немецкого слова «Zinke», означающего «зубец» (мелкие кристаллы металлического цинка действительно похожи на иглы), но это только предположение. Цинк был известен задолго до Парацельса: уже римляне использовали не только сплав меди с оловом (бронзу), но и сплав меди с цинком (латунь), однако то, что цинк представляет собой отдельный элемент, не было ясно до XVII века.

Туманное происхождение названия элемента №30 не даёт возможности приписать его открытие какому-то одному человеку. Косвенные свидетельства позволяют говорить о том, что металлический цинк впервые был получен в Индии уже в XII веке, самое раннее официальное заявление о получении металлического цинка датируется 1668 годом, процесс извлечения цинка из оксида запатентован в Британии в 1738 году металлургом Уильямом Чемпионом. Тем не менее лавры первооткрывателя цинка обычно приписывают немецкому химику Андреасу Маргграфу, который в 1746 году описал более эффективный, чем в патенте, способ получения металлического цинка и описал его свойства.

Несмотря на запутанную историю цинка, в пользе этого элемента никто не сомневается – оцинковка стали позволяет получать блестящие материалы для крыш, водосточных труб и вёдер. В настоящее время в промышленности преимущественно применяется цинкование методом погружения, в ходе которого сталь или железо погружают в ванну с цинком, нагретым до 460 °С, что на сорок градусов выше его температуры плавления, для цинкования деталей с особо сложной формой покрытие наносят с помощью электрохимического метода. Первоначально покрытие просто защищает железо от воздуха, однако при механическом повреждении такая защита продолжает действовать: цинк и железо образуют электрохимическую пару, в которой более активный цинк играет роль «жертвенного анода», отдавая железу свои электроны, не давая ему окисляться и защищая его от коррозии длительное время. Для сравнения можно отметить, что другой популярный способ защиты от коррозии – лужение (покрытие оловом) – при малейшем повреждении слоя олова начинает способствовать разрушению железа, которое будучи более активным, чем олово, «жертвует» ему свои электроны и корродирует, сохраняя защитный слой. Роль анода цинк играет не только на оцинкованной стали, но и в химических источниках тока. Существуют марганцево-цинковый элемент, серебряно-цинковый аккумулятор и т.д. Так, в щелочных аккумуляторах анод изготовлен из порошкообразного цинка (измельчение цинка увеличивает площадь поверхности электрода, обеспечивая более эффективный перенос электронов), а катод – из диоксида марганца.

Невзрачная окраска цинка теряется, когда мы получаем его сплав с медью – латунь золотистого цвета (внешне латунь бывает так похожа на золото, что, например, потерявший на дуэли нос астроном Тихо Браге носил латунную накладку – протез носа, выдавая её за золотую). Латунные дверные ручки и сантехнические устройства можно найти во многих домах. Латунь – именно она заставляет блестеть трубы духовых оркестров. Да, хотя мы называем валторны, трубы и тромбоны медными духовыми инструментами, иногда используя эпитет «бронза духовых оркестров», эти инструменты делают не из меди и не из бронзы, а из латуни.

Соединение цинка, а точнее, его оксид (ZnO), помогает справиться с последствиями солнечного ожога – его содержат такие средства, как паста Лассара, судокрем и цинковая мазь. При нанесении на поражённую кожу оксид цинка уменьшает явления воспаления и раздражения тканей, образует защитный барьер от действия раздражающих факторов. Оксид цинка, известный также как китайские белила, поглощает ультрафиолет, так что противоожоговые средства с этим веществом будут не только быстрее заживлять ожог, но и экранируют его от дополнительных порций ультрафиолета.