Текст книги "Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий"
Автор книги: авторов Коллектив
Жанры:
Химия
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 47 страниц)
Популярная библиотека химических элементов
Книга первая
Водород – Палладий
Ответственный редактор академик И.В. Петрянов-Соколов
Составители В.В. Станцо, М.Б. Черненко
Издание 3-е
Предисловие
«Я знаю, люди состоят из атомов, частиц, как радуги из светящихся пылинок или фразы из букв. Стоит изменить порядок, и наш смысл меняется» (А. Вознесенский). С небольшой поправкой на поэтическую вольность этот тезис можно принять.
Элементы химические – совокупности атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра; образуют все многообразие простых и сложных, веществ». Таково строгое энциклопедическое определение элементов.
Вероятно, почти о каждом из 107 известных ныне элементов написаны научные монографии. Не раз предпринимались попытки рассказать популярно обо всех элементах сразу, в одной книге, адресованной массовому читателю. В результате получались «ножницы»: с одной стороны – сугубо научные монографии, представляющие интерес и понятные лишь узкому кругу специалистов, а с другой – книги, построенные по принципу «путевых очерков». Авторы их, несомненно, руководствовались самыми добрыми намерениями, но физически не могли втиснуть в строго ограниченное издательствами количество печатных листов все самое интересное и самое важное обо всех, химических элементах. К тому же, вряд ли есть на земле человек, который хорошо знал бы все элементы.
В настоящее издание «Популярной библиотеки химических элементов» вошли материалы обо всех химических элементах, открытых до 1 января 1983 г.; здесь читатель найдет сведения об истории открытия, физических и химических свойствах, важнейших соединениях, методах получения, областях, применения и потенциальных возможностях каждого из элементов в эпоху научно-технической революции.
«Популярная библиотека химических элементов» предназначена прежде всего тем, кто учится, и тем, кто учит: школьникам-старшеклассникам и студентам, учителям, преподавателям вузов и техникумов. Это издание может быть также полезно широкому кругу химиков и инженерно-технических работников как средство предварительного ознакомления с каждым конкретным элементом. Прежде всего это касается редких., рассеянных и искусственно полученных элементов.
В книге помимо основных сведений о каждом элементе содержится информация о неожиданных, применениях элементов и соединений, минералах, изотопах, любопытных или курьезных фактах из истории элементов. В историческую часть многих разделов включены фрагменты документов, писем и высказываний выдающихся ученых, о роли того или иного элемента в жизни человечества. Особенно широко, что естественно для такой книги, представлены работы первооткрывателя периодической системы элементов гениального русского химика Дмитрия Ивановича Менделеева.
В основу «Популярной библиотеки химических элементов» – и первых изданий, и этого тоже – положены публикации научно-популярного журнала Академии наук СССР «Химия и жизнь».
Первое издание «Библиотеки» (1971—1974) было предпринято в связи со 100-летием периодического закона химических элементов.
Во втором (1977 г.) издании были обновлены практически все материалы. Включены были также материалы о вновь открытых элементах № 106 и 107.
Нынешнее – третье – издание в основном аналогично второму, внесены лишь частные уточнения и дополнения. Названия соединений, как и в предыдущих изданиях, даны в соответствии с русской номенклатурой неорганических соединений. Для молодых читателей, привыкших к оксидам, гидроксидам, пероксидам и прочим атрибутам международной номенклатуры, напомним, что закисью и окисью называются оксиды соответственно в низшей и высшей степенях окисления, а гидроокиси – то же самое, что гидроксиды, перекиси – пероксиды и т. д.
В издание впервые включен справочный аппарат: таблицы «Константы и свойства», таблицы перевода единиц измерения в интернациональную систему СИ, именной указатель. Эти материалы помещены в конце второй книги.
Закон Менделеева – закон природы
1 марта 1969 г. исполнилось 100 лет со дня открытия одного из величайших законов современного естествознания – периодического закона химических, элементов.
В этот день в 1869 г., молодой, тогда мало известный русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев разослал многим ученым-химикам разных, стран небольшой печатный листок, скромно озаглавленный: «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве».
Современники еще не подозревали, что в науке совершилось великое историческое событие: в необозримый хаос разрозненных сведений о природе и свойствах химических элементов и их соединений вошли ясность и порядок, преобразовав древнюю химию из эмпирического искусства в строгую и точную науку.
История – сурова. Она придирчиво сортирует все, что найдено и создано человеком. Очень немногое она хранит в течение века. Удивительная и привычная простота и четкость менделеевской таблицы из школьного учебника наших дней скрывает теперь от нас ту непостижимую, гигантскую, кропотливую работу по освоению и переработке всего, что было найдено и познано до Менделеева, которую пришлось ему выполнить, чтобы стала возможной и осуществимой гениальная интуитивная догадка о существовании в мире закона периодичности свойств элементов.
Вопрос о методе работы гения, конечно, очень интересен и важен. Много серьезных научных исследований было посвящено истории открытия Менделеева. Если поверить ему самому, то все было очень просто: нужно было только расположить все элементы в ряд по возрастанию их. атомных весов – и периодическая повторяемость их химических свойств сразу себя наглядно проявила. Для этого достаточно быть хорошим химиком, знать химию.
Так ли это было на самом деле? Вряд ли. Скромность великого ученого может ввести в заблуждение.
Мы теперь знаем 107 элементов – от водорода до 107-го, еще безымянного. В 1869 г. на своем первом листочке Менделеев разместил всего только 63 элемента, но уже и тогда оставил четыре пустых места. А из всех, этих известных тогда элементов достаточно хорошо изученными, такими, у которых были надежно определены атомные веса (как мы их знаем теперь), можно считать всего только 48 элементов… Атомный вес всех остальных, элементов был известен химикам времен Менделеева неточно или неверно. Совокупность всех знании об элементах в то время не могла привести «хорошего химика» к периодичности.
Расположив элементы в ряд по возрастанию неверных, (о чем тогда никто не знал) значений атомных весов, ни один химик в мире не мог бы обнаружить никакой общей закономерности в их свойствах, тем более что о существовании еще не известных элементов в те времена вообще никто не мог подозревать.
У Менделеева были предшественники. Много больших и славных, ученых, заслуженно ставших известными за свои попытки установить закономерность в мире химических элементов, искали истину. Они много сделали для подготовки открытия великого закона природы, много важных отдельных закономерностей было ими подмечено. Но великая тайна осталась для них недоступной.
Все они хорошо знали химию, но этого было мало. Они не подозревали, что во всей необъятной сложности сведений, накопленных наукой, есть «пустые места» и грубые ошибки. Эти пустые места и грубые ошибки нельзя было преодолеть без периодического закона – а закон нельзя было вывести, пока были пустые места и грубые ошибки. Его нельзя было открыть, опираясь только на известное. Нужна была прозорливость гения, способного почувствовать великий порядок в видимом хаосе уже познанных свойств вещества. Нужна была непостижимая способность к обобщению, чтобы в бесконечном многообразии увидеть всеобъемлющую простоту закона. Нужна была могучая интуиция, продвигающая познание за пределы известного. Нужна и великая научная смелость. В науку должен был прийти Менделеев.
Дмитрий Иванович Менделеев
Фотография 1869 г.
Немало законов природы открыто человеком. Они различны и по объему познанного, и по тому, в каких областях познания мира они действенны. Их. трудно сравнивать между собой. Но есть все же непреложный критерий сравнения: законы можно сравнивать по самому главному – по возможности предсказания нового, предвидения неизвестного.
Закон Менделеева в этом не имеет равных себе. Даже при самой первой формулировке закона – при составлении первого варианта периодической таблицы – Менделеев должен был основывать размещение элементов в таблице на предсказаниях, вытекающих из самого периодического закона. Это – яркий пример диалектической логики познания.
Для того чтобы расположить химические элементы на самом первом листочке в соответствии с периодическим законом и построить свою первую периодическую таблицу, Менделеев оставил в ней пустые места и принял новые значения атомных весов для многих, элементов. По существу уже это было предсказанием.
Эти пустые места и исправленные значения атомных весов, определяющие положение химических элементов в системе, были абсолютно недопустимы с точки зрения химика прошлого столетия и абсолютно необходимы для установления периодического закона.
Чтобы решиться на столь далеко идущие предсказания, каждое из которых должно быть доказано, нужна страстная вера в истинность, в свою правоту, нужны непревзойденная решимость и смелость. Это и отличает Менделеева от всех его предшественников, которые не соглашались с ним или оспаривали приоритет открытия. Никто из них не смог подняться до возможности предсказания. Лотар Мейер, видный немецкий исследователь, ближе других подошедший к обнаружению естественного закона химических элементов, критикуя взгляды Менделеева, считал, что вообще «было бы поспешно изменять доныне принятые атомные веса на основании столь непрочного исходного пункта», имея в виду периодический закон.
Почти 40 лет работал Менделеев над открытием периодического закона и над его развитием. Основываясь на своей уверенности в его истинности, в том, что это подлинный закон природы, Менделеев сам предсказал существование двенадцати новых неизвестных науке элементов, о которых никто в мире до него и подозревать не мог. Он не только подробно описал свойства некоторых элементов и свойства их соединений, но даже предсказал те способы, при помощи которых они впоследствии будут найдены. Интересно, что уже в первом издании «Основ химии» Менделеев предусмотрел пять свободных мест за ураном в конце таблицы, как будто почти за 100 лет предвидел открытие трансуранов.
Первый набросок таблицы Менделеева, 1869 г.
Уже только предсказания Менделеева стали великой задачей для химии на будущее. Указан был путь направленного поиска. Химики после Менделеева знали, где и как искать неизвестное. Он научил химию предвидеть. Много больших ученых, пользуясь методом Менделеева, следовали его примеру и тоже предсказывали и описывали неизвестные, еще не найденные элементы. Все предсказанное на основе периодического закона самим Менделеевым и его последователями – все новые элементы, все подтвердилось. История науки не знает другого подобного триумфа.
Но не только в открытии нового заключался научный завет, оставленный Менделеевым науке. Он поставил перед наукой еще более грандиозную задачу.
Менделеев открыл новый закон природы. Вместо разрозненных, не связанных между собою веществ перед наукой встала единая стройная система, объединившая в единое целое все элементы Вселенной. Открытие взаимной связи между всеми элементами, между их физическими и химическими свойствами поставило научно-философскую проблему огромной важности: эта взаимная связь, это единство должны быть объяснены.
Исследования Менделеева дали прочный и надежный фундамент попыткам объяснить строение атома: после открытия периодического закона стало ясно, что атомы всех элементов должны быть построены «по единому плану», что в их устройстве должна быть отображена периодичность свойств элементов.
Только та модель атома могла иметь право на признание и развитие, которая приближала бы науку к пониманию загадки положения элемента в таблице Менделеева. Величайшие ученые нашего столетия, решая эту большую проблему, раскрыли строение атома – так закон Менделеева оказал огромное влияние на развитие всех современных знаний о природе вещества.
Все успехи химии наших дней, успехи атомной и ядерной физики, включая атомную энергетику и синтез искусственных элементов, стали возможными лишь благодаря периодическому закону. В свою очередь успехи атомной физики, появление новых методов исследования, развитие квантовой механики расширили и углубили сущность периодического закона.
За истекшее столетие закон Менделеева – подлинный закон природы – не только не устарел и не утратил своего значения. Наоборот, развитие науки показало, что его значение до конца еще не познано и не завершено, что оно много шире, чем мог предполагать его творец, чем думали до недавнего времени ученые. Недавно установлено, что закону периодичности подчиняется не только строение внешних электронных, оболочек атома, но и тонкая структура атомных ядер. По-видимому, и те закономерности, которые управляют сложным и во многом непонятым миром элементарных частиц, также имеют в своей основе периодический характер.
И теперь, спустя долгие годы, по-прежнему справедливы полные достоинства слова самого Менделеева: «…вышеизложенное содержит далеко не все то, что увидели до сих пор через телескоп периодического закона в безграничной области химических эволюций, и тем паче не все то, что можно еще увидеть».
Столетие со дня открытия периодического закона наша страна и весь мир отмечали как торжественный научный праздник в честь Дмитрия Ивановича Менделеева, великого русского химика, гениального ученого и мыслителя, великого патриота, заслуги которого перед наукой, перед промышленностью, перед родиной и всем человечеством только в наше время могут быть осознаны во всем их величии.
И. В. Петрянов-Соколов 1969 г.
Водород
Обычно, чтобы подчеркнуть значение того или иного элемента, говорят: если бы его не было, то случилось бы то-то и то-то. Но, как правило, это не более чем риторический прием. А вот водорода может когда-нибудь действительно не стать, потому что он непрерывно сгорает в недрах звезд, превращаясь в инертный гелий. И когда запасы водорода иссякнут,жизнь во Вселенной станет невозможной – и потому, что погаснут солнца, и потому, что не станет воды…
Водород и Вселенная
Когда-то люди обожествляли Солнце. Но теперь оно стало объектом точных исследований, и мы редко задумываемся о том, что само наше существование целиком и полностью зависит от происходящих на нем процессов.
Каждую секунду Солнце излучает в космическое пространство энергию, эквивалентную примерно 4 млн. т массы. Эта энергия рождается в ходе слияния четырех ядер водорода, протонов, в ядро гелия; реакция идет в несколько стадий, а ее суммарный результат записывается вот таким уравнением
411Н+ → 42He2+ + 2е+ + 26,7 Мэв.
Много это или мало – 26,7 Мэв на один элементарный акт? Очень много: при «сгорании» 1 г протонов выделяется в 20 млн. раз больше энергии, чем при сгорании 1 г каменного угля. На Земле такую реакцию еще никто не наблюдал: она идет при температуре и давлении, существующих лишь в недрах звезд и еще не освоенных человеком.
Мощность, эквивалентную ежесекундной убыли массы в 4 млн. т, невозможно представить: даже при мощнейшем термоядерном взрыве в энергию превращается всего около 1 кг вещества. Но если отнести всю излучаемую Солнцем энергию к его полной массе, то выяснится невероятное: удельная мощность Солнца окажется ничтожно малой – много меньше, чем мощность такого «тепловыделяющего устройства», как сам человек. И расчеты показывают, что Солнце будет светить, не ослабевая, еще по меньшей мере 30 млрд. лет.
Что и говорить, на наш век хватит.
Генри Кавендиш (1731—1810) – английский химик и физик, один из основоположников химии газов. В 1766 г. он получил в чистом виде водород и углекислый газ и измерил их плотность; спустя 23 года определил точный состав воздуха и воды. Труды Кавендиша по электричеству не нашли признания при жизни ученого – лишь через 69 лет после смерти Кавендиша были опубликованы его интересные работы в этой области
Наше Солнце по меньшей мере наполовину состоит из водорода. Всего на Солнце обнаружено 69 химических элементов, но водород – преобладает. Его в 5,1 раза больше, чем гелия, и в 10 тыс. раз (не по весу, а по числу атомов) больше, чем всех металлов, вместе взятых. Этот водород расходуется не только на производство энергии. В ходе термоядерных процессов из него образуются новые химические элементы, а ускоренные протоны выбрасываются в околосолнечное пространство.
Последнее явление, получившее название «солнечного ветра», было открыто сравнительно недавно во время исследования космического пространства с помощью искусственных спутников. Оказалось, что особенно сильные порывы этого «ветра» возникают во время хромосферных вспышек. Достигнув Земли, поток протонов, захваченный ее магнитным полем, вызывает полярные сияния и нарушает радиосвязь, а для космонавтов «солнечный ветер» представляет серьезную опасность.
Но только ли этим ограничивается воздействие на Землю потока ядер солнечного водорода? По-видимому, нет. Во-первых, поток протонов рождает вторичное космическое излучение, достигающее поверхности Земли; во-вторых, магнитные бури могут влиять на процессы жизнедеятельности; в-третьих, захваченные магнитным полем Земли ядра водорода не могут не сказываться на ее массообмене с космосом.
Сулите сами: сейчас в земной коре из каждых 100 атомов 17 – это атомы водорода. Но свободного водорода на Земле практически не существует: он входит в состав волы, минералов, угля, нефти, живых существ… Только вулканические газы иногда содержат немного водорода, который в результате диффузии рассеивается в атмосфере. А гак как средняя скорость теплового движения молекул водорода из-за их малой массы очень велика – она близка ко второй космической скорости, – то из слоев атмосферы эти молекулы улетают в космическое пространство.
Но если Земля теряет водород, то почему она не может его получать от того же Солнца? Раз «солнечный ветер» – это ядра водорода, которые захватываются магнитным полем Земли, то почему бы нм на ней не остаться?
Более половины массы Солнца состоит из водорода. Этот элемент служит топливом, позволяющим Солнцу светить миллиарды лет
Ведь в атмосфере Земли есть кислород; реагируя с залетевшими ядрами водорода, он свяжет их, и космический водород рано или поздно выпадет на поверхность планеты в виде обыкновенного дождя. Более того, расчет показывает, что масса водорода, содержащегося в воде всех земных океанов, морей, озер и рек, точно равна массе протонов, занесенных «солнечным ветром» за всю историю Земли. Что это – простое совпадение?
…Мы должны сознавать, что наше Солнце, паше водородное Солнце, – это лишь заурядная звезда во Вселенной, что существует неисчислимое множество подобных звезд, удаленных от Земли на сотни, тысячи и миллионы световых лет. И кто знает – может быть именно в диапазоне радиоизлучения межзвездного водорода (запомните – 21 сантиметр!) человечеству впервые удастся связаться с иноземными цивилизациями… Как говорится, поживем – увидим.
Водород и жизнь
Еще раз о том, что нелепо говорить: «Если бы в природе не было того-то, то не было бы того и этого». Дело в том, что картина мира, которую мы имеем возможность сейчас наблюдать, сложилась именно в результате того, что существует в действительности…
Скажем, писатели любят населять планеты, где вместо воды – фтористый водород или аммиак, а основой жизни служит не углерод, а кремний. Но почему же «кремниевая» жизнь не существует на нашей планете, где кремния хоть отбавляй? Не потому ли, что кремний – просто неподходящая основа для жизни?
Однако если и углероду, и кислороду изощренная человеческая фантазия иногда все же находит замену, то ничто не сможет заменить водород. Дело в том, что у всех элементов есть аналоги, а у водорода – нет. Ядро этого атома – элементарная частица, и это не может не сказываться на свойствах атома.
Любой атом, за исключением атома водорода, в обычных условиях не может лишиться всех электронов: у него остается хотя бы еще одна электронная оболочка, и эта оболочка, несущая отрицательные заряды, экранирует ядро. А вот ион водорода – это «голый», положительно заряженный протон, и он может притягиваться к электронным оболочкам других атомов, испытывая при этом не особенно сильное отталкивание от ядра.
И вот что получается. Скажем, в молекуле воды обе валентности атома кислорода насыщены и, казалось бы, между двумя молекулами никакой дополнительной связи возникнуть не может. Но когда атом водорода одной молекулы воды приближается к атому кислорода другой молекулы, то между протоном и электронной оболочкой кислорода начинает действовать сила дополнительного притяжения, и образуется особая, так называемая водородная связь
Такие связи раз в двадцать слабее обычных, но все же роль их огромна. Взять, к примеру, ту же самую воду: многие ее удивительные свойства определяются именно необычайно развитыми водородными связями. Попробуйте хотя бы предсказать ее температуру плавления, основываясь на константах соединений водорода с соседями кислорода по периодической системе – азотом и фтором или аналогами – серой и селеном.
Аммиак плавится при —77,7°C, фтористый водород при —92,3°C; следовательно, вода, вроде бы, должна иметь промежуточную температуру плавления около —85°C. Селенистый водород плавится при —64°C, сероводород при —82,9ºС; следовательно, точка плавления воды, как аналогичного производного с меньшим молекулярным весом, должна быть еще ниже… Но нет, ее действительная температура плавления оказывается почти на сотню градусов выше предсказанной теоретически, и виной тому – слабые, но многочисленные межмолекулярные водородные связи, которые кислород в силу специфического строения электронной оболочки способен образовывать в значительно большей мере, чем азот, фтор, сера или селен.
Водородные связи лежат в основе самых тонких явлений жизнедеятельности. Например, именно благодаря этим связям ферменты способны специфически распознавать вещества, реакции которых они ускоряют. Дело в том, что белковая цепь каждого фермента имеет строго определенную пространственную конфигурацию, закрепленную множеством внутримолекулярных водородных связей между группировками атомов C=O и N—H
В свою очередь молекула вещества имеет группировки, способные давать водородные связи с определенным участком молекулы фермента – так называемым активным центром
В результате внутримолекулярные связи в этом веществе ослабевают, и фермент буквально «раскусывает» молекулу
Но этим не ограничивается роль слабых водородных связей в процессах жизнедеятельности. Именно благодаря этим связям происходит точное копирование молекулы ДНК, передающей из поколения в поколение всю генетическую информацию; водородные связи определяют специфичность действия многих лекарственных препаратов; ответственны они за вкусовые ощущения, и за способность наших мышц сокращаться… Одним словом, в живой природе атом водорода действительно незаменим.
