Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №13/2006

УЧЕБНИКИ. ПОСОБИЯ

 

О.С.ГАБРИЕЛЯН,
И.Г.ОСТРОУМОВ,
А.К.АХЛЕБИНИН

СТАРТ В ХИМИЮ

7 класс

Продолжение. Начало см. в № 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12/2006

Рассказы по химии

Рассказы о веществах

Азот

Азот открыл шотландский ученый Д.Резерфорд в 1772  г. Он проводил эксперименты по сжиганию под стеклянным колпаком древесного угля, серы и фосфора. Продукты горения поглощались раствором щелочи. Резерфорд установил, что остающаяся после этого часть воздуха – это газ, в котором свеча не горит, а мышь гибнет (рис. 93). Это и был азот, основная составная часть атмосферы нашей планеты.

Рис. 93. Азот не поддерживает горение
Рис. 93.
Азот не поддерживает горение

Название «азот» (т.е. безжизненный: от греч. а – отрицательная приставка и – жизнь) предложил французский химик А.Л.Лавуазье. Такое название, по мнению Лавуазье, должно было подчеркнуть свойства газообразного азота, который непригоден для дыхания и не поддерживает горение. Однако быстро выяснилось, что «безжизненный» азот – один из главных элементов жизни. Без участия соединений азота невозможно существование ни растений, ни животных. В живых организмах азот входит в состав таких важнейших органических веществ, как белки и нуклеиновые кислоты. В свою очередь белки – это те вещества, из которых построено все живое на Земле, а нуклеиновые кислоты – это соединения, которые определяют наследственные признаки.

Соотечественник Лавуазье, химик Ж.А.К.Шапталь в 1790 г. предложил переименовать азот в «нитроген» (образующий селитру). Это название используется во многих европейских странах, в частности в Англии и Франции. От этого слова произошли названия многих соединений азота. В России ни один элемент не имел в XVIII–XIX вв. столь многочисленных названий, как азот: нечистый гас, удушливый гас, огорюченный воздух, селитрород, гнилотвор, смертельный гас, нитроген и т.д. Однако именно название «азот» закрепилось в российской химической литературе.

Низкая химическая активность азота как простого вещества объясняется строением его молекулы. Она состоит из двух атомов и очень прочна. Азот вступает в химические реакции только тогда, когда разрушается его молекула. Однако даже при 3300 °С только одна молекула азота из тысячи распадается на атомы. Поэтому свободный азот так инертен в обычных условиях.

Химическая инертность азота доставляла и доставляет много хлопот химикам и технологам. Но нетрудно представить себе, как изменилась бы природа, не будь атмосферный азот столь инертен: Землю залили бы потоки азотной кислоты, в воздухе не осталось бы кислорода. Если бы кислород воздуха не был разбавлен инертным азотом, все живое было бы обречено на гибель: длительное вдыхание чистого кислорода при атмосферном давлении не менее губительно, чем его отсутствие.

В круговороте азота в природе решающую роль играют живые организмы. Особые бактерии, живущие на корнях бобовых растений (клевер (рис. 94), люпин (рис. 95), горох и др.), связывают атмосферный азот, превращая его в минеральные соли. Эти соли усваиваются растительными организмами. Современное сельское хозяйство невозможно без азотных удобрений.

Рис. 94. Клевер Рис. 95. Люпин
Рис. 94. Клевер
Рис. 95. Люпин

Огромные количества азота в промышленности получают разделением воздуха. Более 75% чистого азота используют для синтеза аммиака, который служит исходным веществом в производстве удобрений, азотной кислоты, красителей, лекарственных препаратов, взрывчатых веществ. Газообразный азот применяется для создания инертной атмосферы при получении синтетических волокон, чистых металлов и сплавов. Жидкий азот нужен для создания низких температур.

Выдающиеся произведения живописи хранят в герметичных футлярах, заполненных азотом, чтобы предохранить краски от влаги и химически активных компонентов воздуха.

Алюминий

Впервые алюминий был получен в 1825 г. датским физиком Х.К.Эрстедом из природного глинозема с помощью электрического тока.

Название металла происходит от латинского слова alumen, что означает квасцы. Квасцы – это очень важные соли серной кислоты, которые содержат в своем составе несколько металлов, в том числе алюминий.

Алюминий сразу после его открытия привлек химиков своей красотой и легкостью. Внешне походит на серебро, примерно в три раза легче железа и меди. Алюминий очень пластичен: его можно прокатать в тонкую фольгу, сделать тончайшие украшения, придать нужную форму. Вот только прочность чистого алюминия невелика, но в виде сплавов с другими металлами он заметно «крепчает». Уже созданы сплавы алюминия с прочностью в 10 раз выше, чем у стали.

Первоначально алюминий из-за несовершенного способа получения был необычайно дорог – почти в 10 раз дороже золота. Первые алюминиевые украшения и изделия были доступны только очень богатым людям. Император Наполеон III заменил серебряную посуду в своем дворце на более дорогую и редкостную – алюминиевую. Так, не ведая того, французский император заглянул в XX в., когда алюминиевая посуда стала обычной в любом доме. В знак признания выдающихся заслуг Д.И.Менделеева в Великобритании ему был преподнесен подарок – весы, одна чаша которых была сделана из золота, а другая – из алюминия.

На балах знатные дамы во времена Наполеона III нередко щеголяли ювелирными украшениями, изготовленными из алюминия.

Однако химикам уже в то время было известно, что алюминий – третий по распространению в земной коре элемент (после кислорода и кремния) и самый распространенный металл. Многочисленные минералы и горные породы в своем составе содержат алюминий. Это глины, полевые шпаты, многие полудрагоценные и драгоценные камни: гранаты, рубины, сапфиры, александриты (рис. 96). Корону Российской империи украшает драгоценная шпинель, в состав которой также входит алюминий. Вот только в природных соединениях алюминий прочно связан с другими элементами. Поэтому получение алюминия требует больших затрат электроэнергии. Большая часть этой энергии расходуется на расплавление глинозема – основного природного сырья для получения алюминия.

Рис. 96. Природный гранат (а) и обработанный александрит (б) – полудрагоценные камни, содержащие алюминий

Рис. 96. Природный гранат (а)
и обработанный александрит (б) –
полудрагоценные камни,
содержащие алюминий

Однажды американский студент-химик Ч.М.Холл услышал от своего учителя, с какими трудностями сопряжено получение алюминия и как, должно быть, разбогатеет и прославится тот, кто предложит более дешевый способ получения этого металла. Молодой человек оборудовал небольшую лабораторию и довольно скоро обнаружил, что глинозем можно не расплавлять, а растворять в расплавленном минерале криолите. Температура плавления криолита в два раза меньше, чем глинозема, что и привело к значительному удешевлению получения алюминия.

Удивительно, что в том же 1885 г. французский металлург П.Л.Т.Эру разработал тот же самый способ получения алюминия. Более того, Эру был ровесником Холла, и оба они ушли из жизни в один и тот же год.

С открытием метода Холла–Эру производство алюминия стремительно возросло, цена металла стала падать. За последние 10 лет XIX в. его выплавка составила 28 000 т, а в 1930 г. мировое производство алюминия составило 300 000 т. Сейчас ежегодно в мире получают более 10 млн т этого металла.

Алюминий используется для изготовления проводов линий электрических передач, алюминиевых труб для нефтяной отрасли промышленности. Если поверхность алюминия отполировать, он становится очень блестящим. Это свойство металла используется для производства зеркал, прожекторов, мощных отражателей.

Пластичность и нетоксичность алюминия лежит в основе его использования в производстве различных упаковочных материалов для пищевых продуктов. Вспомните хотя бы алюминиевую фольгу для обертки шоколада или приготовления пищи, алюминиевые банки для прохладительных напитков, крышки пластиковых баночек с йогуртом.

Большая часть производимого алюминия идет на получение сплавов. Благодаря легкости и прочности они широко используются в авиационной и космической отраслях промышленности
(рис. 97). Недаром алюминий называют крылатым металлом.

Рис. 97. Алюминиевые сплавы – основа авиационной техники
Рис. 97.
Алюминиевые сплавы –
основа авиационной техники

Способность порошка алюминия гореть ослепительным пламенем используется в пиротехнике – производстве бенгальских огней, салютов, фейерверков (рис. 98).

Рис. 98. Порошок алюминия используется в пиротехнике
Рис. 98.
Порошок алюминия
используется в пиротехнике

Железо

Как часто мы употребляем словосочетания: железная воля, железный характер, железные нервы. Это комплименты не только воле, характеру или нервам, это – комплимент железу, самому главному металлу современной техники.

Название «железо» скорее всего связано с санскритским корнем «жель», что означает «блестеть, пылать» и полностью соответствует внешнему облику железа: это блестящий, серебристо-белый металл.

Трудно найти другой такой металл, с которым была бы так неразрывно связана история человечества. Железо было одним из первых металлов, знакомых человеку еще в каменном веке. «Железным веком» называют период в развитии человечества, наступивший в начале I тысячелетия до н. э., когда многие народы и племена Европы и Азии научились выплавлять железо из руд. Если эпохи в жизни человечества называть по главному материалу, из которого изготавливают орудия труда, то железный век продолжается до сих пор.

В Древнем Египте железо называли «небесным металлом». Существует легенда, согласно которой царь Соломон после строительства Иерусалимского храма устроил пир в честь строителей, каждый из которых – каменщик, плотник, землекоп и другие – считал, что именно его труд в сооружении храма наиболее значимый. Мудрый Соломон разрешил этот спор так: поскольку все орудия строительства были сделаны из железа кузнецом, то главным строителем храма является именно кузнец.

Было время, когда железо, как и алюминий, ценилось дороже золота. Богачи заказывали себе украшения из железа, причем нередко в золотой оправе. Как свидетельствует в «Илиаде» Гомер, победителя игр, устроенных Ахиллом, награждали куском золота и куском железа.

Самородное железо на Земле – редкость. Чаще всего это остатки железных метеоритов. Самородное железо найдено в образцах лунного грунта, доставленного на Землю. В основном это также остатки метеоритов, которые беспрепятственно достигают поверхности Луны.

Железо входит в состав многочисленных руд и минералов. Наиболее известны красный железняк (гематит), бурый железняк (лимонит), магнитный железняк (магнетит).

Железо – металл войны. Недаром алхимики обозначали его знаком бога войны Марса: изображали щит и копье. Большинство видов оружия изготавливалось и изготавливается из сплавов железа. Вероятно, некоторые из вас слышали или читали о дамасской стали, или булате, из которой ковались уникальные сабли. Лезвие булатного клинка можно было заточить до исключительной остроты. Не уступают по качеству клинки, изготовленные отечественными мастерами из Златоуста. Не только холодное, но и огнестрельное оружие сделано из сплавов на основе железа.

Но железо – это и важнейший металл мирной техники. Это основа всех наземных и морских транспортных средств: автомобилей, железнодорожного транспорта (рис. 99), судов. Железо – это станки и оборудование, сельхозмашины и трубопроводы, строительные конструкции и техника, предметы быта и садовый инвентарь. Этот список можно продолжать бесконечно.

Рис. 99. Сотни тысяч километров таких путей по России так и называются: железная дорога
Рис. 99.
Сотни тысяч километров таких путей
по России так и называются:
железная дорога

Примерно 9/10 всех используемых человеком металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Этого металла в мире выплавляется больше, чем всех остальных вместе взятых. К числу неоспоримых достоинств железа относится его дешевизна, доступность, ковкость, способность намагничиваться, возможность придать сплаву требуемые свойства путем введения различных добавок (легирование стали).

И все же железо не лишено недостатков. Как дамоклов меч висит над железными изделиями страшная беда – ржавчина. О процессе коррозии железа мы уже вели разговор на страницах нашего учебника.

Железо – жизненно важный элемент. Он входит в состав гемоглобина крови – красного пигмента эритроцитов (рис. 100). Гемоглобин переносит кислород к каждой клеточке нашего тела. Именно железу кровь обязана своим красным цветом. При недостатке железа в организме развивается заболевание – анемия (малокровие).

Рис. 100. Красные кровяные тельца (эритроциты) под микроскопом
Рис. 100.
Красные кровяные тельца
(эритроциты) под микроскопом