Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №14/2006

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, 13/2006

Рассказы по химии

Рассказы о веществах

Золото

Ни один металл на Земле не окутан таким ореолом таинственности и противоречивости, как золото. С незапамятных времен золото было символом власти, богатства, благополучия. Эпитетом «золотой» люди наделяли нечто очень красивое, желанное, дорогое, а сам металл нередко именовали «презренным». В то же время золото ассоциируется порой с алчностью и стяжательством, жадностью и коварством. Ради обладания этим металлом велись кровопролитные войны, совершались измены и предательства.

Алхимики всегда считали золото «царем металлов», и это не лишено оснований. Подчеркивая его совершенство, они обозначали золото знаком Солнца. Действительно, у золота красивый цвет и блеск, оно устойчиво к действию подавляющего большинства химических веществ. Недаром золото называют благородным металлом.

Рис. 101. Золотой самородок
Рис. 101.
Золотой самородок

Из-за своей химической инертности золото встречается в природе в чистом виде: в самородках (рис. 101) или в виде вкраплений в твердые породы. На россыпи золота, благодаря привлекательному внешнему виду, обратили внимание древние скотоводы, и уже в VI тысячелетии до н.э. научились обрабатывать металл кустарным способом. Благодаря мягкости (даже ноготь оставляет на нем царапину) и удивительной красоте золото стало излюбленным материалом ювелиров и художников (рис. 102).

Рис. 102. Возраст этой золотой маски более 3500 лет
Рис. 102.
Возраст этой золотой маски
более 3500 лет

Легкодоступное золото, лежащее на поверхности, вскоре было собрано, и в развитых странах древнего мира стали добывать крупинки металла, вкрапленные в кварцевые породы. Содержание металла в них не превышало нескольких граммов на тонну пустой породы. Кварц измельчали и на специальных наклонных лотках промывали водой. Благодаря очень большой плотности золотые песчинки оставались на лотке, а пустая порода уносилась потоком воды. Так же «мыли» золото артели старателей. При разрушении горных пород золото вместе с песком и глиной уносится водой в русла рек, где и образуются золотые россыпи. Только один Амур выносит в Тихий океан ежегодно 8,5 т золота.

Золото – один из самых тяжелых металлов. Слиток размером с кулак весит более 3 кг! Известен рассказ древнегреческого писателя Плутарха о том, как сиракузский царь Гиерон II поручил Архимеду узнать, действительно ли из чистого золота корона, изготовленная по заказу царя. Пользуясь открытым им законом, ученый взвесил корону, а затем, погружая ее в воду, определил объем и вычислил плотность. Она оказалась меньше, чем у чистого золота. Так был разоблачен корыстный ювелир, заменивший часть золота для изготовления короны серебром.

Первую в России золотую россыпь обнаружил в 1724 г. крестьянин Ерофей Марков в районе Екатеринбурга. В начале XIX в. были открыты новые месторождения золота в Сибири. С 1821 по 1850 г. в России было добыто 3293 т золота, почти в 4 раза больше, чем во всех остальных странах мира.

За 1500 лет до н. э. золото стали использовать в качестве денег. Сначала это были небольшие слитки величиной с горошину. Но нечистые на руку торговцы часто спиливали с них небольшие крупинки, отчего «горошина» становилась все легче и легче. Тогда на всю поверхность металла стали наносить клеймо, чтобы любое спиливание стало сразу заметным. При нанесении клейма «горошина» расплющивалась и превращалась в более привычную для нас плоскую монету (рис. 103).

Рис. 103. Золотая монета
Рис. 103.
Золотая монета

Первые монеты появились в VII в. до н. э. в Малой Азии в государстве Лидия. На монетах был изображен лев – геральдический символ этого государства. С тех пор каждое вновь возникающее государство придумывало свою монетную систему, и богатство страны определялось ее золотым запасом (рис. 104).

Рис. 104. Изготовление золотого слитка
Рис. 104.
Изготовление золотого слитка

Золото – необыкновенно пластичный металл (рис. 105). Кусочек золота величиной со спичечную головку можно расплющить в просвечивающую голубовато-зеленым цветом фольгу тоньше человеческого волоса площадью 50 м2. Из золотой горошины массой 1 г можно протянуть проволоку длиной 2 км. Необычайная ковкость и тягучесть дают возможность делать из золота самые различные вещи: чаши и кубки, броши и серьги, кольца и цепи.

Рис. 105. Золотая фольга
Рис. 105.
Золотая фольга

Однако золото – достаточно дорогой металл. Поэтому в целях экономии крупинки золота прокатывали в тончайшие листочки, которыми покрывали поверхность других материалов: дерева, камня, менее ценного металла. Так золотили купола церквей (рис. 106), деревянную резьбу, украшавшую дворцы, художественные произведения (рис. 107). Позолоченные архитектурные детали и мебель органически вошли в пышное убранство дворцов далекого прошлого.

Рис. 106. Золотые купола христианской церкви
Рис. 106.
Золотые купола христианской церкви

Чистое золото легко истирается. Например, золотая монета при обращении теряет каждое столетие пятую часть своего веса. Поэтому в ювелирных и технических изделиях применяют не чистое золото, а его сплавы, чаще всего с медью и серебром. Проба, стоящая на золотых изделиях отечественного производства, означает содержание золота в сплаве из расчета на тысячу его весовых частей. В России установлены следующие пробы для золота: 375, 500, 583, 750, 958. Например, проба 583 означает, что в сплаве содержится 58,3% золота, или 583 г в 1000 г сплава. Остальная масса приходится на медь.

Рис. 107. Позолоченные скульптуры фонтанов под Санкт-Петербургом
Рис. 107.
Позолоченные скульптуры фонтанов
под Санкт-Петербургом

Золото очень хорошо проводит электрический ток, поэтому современная электронная техника невозможна без этого металла. В сплаве с платиной и другими металлами золото идет на изготовление химически стойкой аппаратуры. Отражательная способность и устойчивость золота позволяет использовать его для золочения некоторых поверхностей: зеркал, фотоэлементов, космических аппаратов, скафандров космонавтов.

Водород

Издавна было известно, что при взаимодействии металлов с кислотами выделяется горючий газ. Эта реакция была подробно описана М.В.Ломоносовым. Английский химик Г.Кавендиш в 1766 г. изучил свойства выделяющегося газа, определил его плотность, но был уверен, что получил горючее начало всех веществ – так называемый флогистон. Спустя несколько лет уже знакомый вам французский химик А.Л.Лавуазье определил, что этот горючий газ образован новым химическим элементом. Он установил, что при горении газа образуются пары воды, поэтому дал элементу название hidrogenium (гидрогениум) – рождающий воду, а по-русски – водород.

Молекулы водорода настолько малы, что легко проникают через различные материалы. Обычный воздушный шарик, наполненный водородом, за сутки «похудеет» раза в три. Кстати, если отпустить такой шарик, он не упадет, а полетит вверх. Неудивительно, ведь водород в 14 раз легче воздуха. Используя это свойство, водородом наполняли аэростаты для метеорологических наблюдений и гигантские дирижабли. Но такие летательные аппараты опасны: водород – горючий газ, а в смеси с воздухом образует взрывоопасные смеси. Гораздо безопаснее использовать вместо водорода гелий. Этот газ легче воздуха только в 7 раз, зато к пламени совершенно равнодушен.

Взрыв гремучего газа (так называют смесь водорода с кислородом или воздухом) – страшная разрушительная сила, однако человек давно научился извлекать пользу из самых опасных явлений. Горение водорода можно «укротить», регулируя доступ кислорода, необходимого для горения. Температура водородного пламени достигает 3000 °С: с его помощью можно резать или сваривать металлы (рис. 108).

Рис. 108. Пламенем водородной горелки можно резать и сваривать металлы
Рис. 108.
Пламенем водородной горелки
можно резать и сваривать металлы

Понятно, что при горении водорода выделяется огромное количество энергии, гораздо больше, чем при сгорании бензина. Какой вывод напрашивается из этого факта? Конечно, ученые делают ставку на водород как топливо будущего. Его легко перекачивать по трубам, как природный газ. Водород можно сжигать для производства тепла, при этом в качестве продукта горения образуется обыкновенная вода. Конструкторы совместно с химиками работают над созданием водородного двигателя внутреннего сгорания для автомобилей, разрабатывают специальные источники тока, позволяющие вырабатывать электричество за счет реакции водорода с кислородом. Водородная экономика – задача очень перспективная, но одновременно и достаточно сложная. Ее решение может вполне стать делом вашей жизни, если вы решите связать ее с замечательной наукой химией.

Водород очень широко используется в химической отрасли промышленности. Это сырье для получения аммиака, некоторых кислот, с его помощью восстанавливают из руд ценные металлы. И даже в пищевой отрасли промышленности водород нашел свое применение: он превращает жидкие растительные масла в твердые жиры – основу маргаринового производства.

Несмотря на множество «земных профессий», водород без преувеличения можно назвать космическим элементом.

Трудно поверить в то, что наше Солнце – это мир раскаленного водорода. При невероятно высоких температурах и давлении на Солнце протекают реакции, называемые ядерными. Протекание ядерных реакций сопровождается выделением гигантского количества энергии. Отсюда и фантастические температуры на Солнце, и яркое свечение, и поток невидимых глазом лучей, в том числе ультрафиолетовых, «виновников» золотистого летнего загара.

Самая большая планета солнечной системы – Юпитер – также почти полностью состоит из водорода (рис. 109). Как же такое может быть, ведь водород – это газ? Конечно, газ, но только в привычных для нас условиях. Юпитер – это мир страшного холода и гигантских давлений, поэтому водород на планете находится в твердом состоянии.

Рис. 109. Юпитер
Рис. 109. Юпитер

Вода

Вода – одно из самых распространенных веществ на поверхности нашей планеты, ведь почти 71% поверхности Земли занят морями и океанами. Недаром ее называют голубой планетой. Водная оболочка Земли – гидросфера. Водой в твердом состоянии – снегом и льдом – покрыто около 20% суши. В связанном виде вода находится и в земной коре – литосфере. Ученые считают, что в недрах Земли может находиться воды в десять раз больше, чем в гидросфере. Вода играет важную роль в геологической истории Земли, в ее тепловом режиме, климате, погоде, круговороте веществ.

Вода необходима каждому живому организму. Роль воды в живой клетке велика и многогранна. Она определяет не только объем и упругость клетки, это среда, в которой протекают многочисленные биохимические процессы. Вода сама участвует в сотнях химических реакций в живых клетках, например в знакомом вам процессе фотосинтеза.

Организм взрослого человека на 3/4 состоит из воды, причем ее содержание в различных органах неодинаково. Больше всего воды в глазном яблоке. Мозг человека содержит 80% воды, печень – 70%, мышцы – около 60%. И даже в костях есть вода – до 30%. Самая «безводная» часть нашего организма – эмаль зубов.

В сутки человек должен потреблять около 3 литров воды. Но это не значит, что нужно обязательно выпить 15 стаканов жидкости. Вода содержится во всех продуктах питания. В хлебе ее 40%, в мясе – 75%, в рыбе – 80%, а в овощах – более 90%. Представляете, обыкновенный огурец – это на 98% вода!

Вода необходима не только человеку и животным. Самые заправские «водохлебы» – растения. Подсолнуху для роста необходим литр воды в день, а взрослая береза высасывает из земли 60 л воды за сутки!

Почему же неприметное на первый взгляд вещество играет такую исключительную роль в природе?

Во многом это связано с необычными свойствами воды. Почти все они – исключение из общих правил. Это обстоятельство и делает воду самым удивительным веществом на планете.

В жидкой воде молекулы сцеплены между собой особыми связями, которые называют водородными. Для того чтобы «оторвать» одну молекулу воды от другой, требуется затратить довольно много энергии. Если бы водородных связей не было, вода закипала бы при температуре –80 °С, а замерзала при –100 °С. Будь вода «послушным» веществом, наша Земля превратилась бы в безжизненную пустыню: все реки, моря и океаны выкипели бы, на небе не было бы ни облачка, ни тучки.

Плотность воды тоже аномальна. Молекулы воды во льду «упакованы» так, что между ними остается довольно много «пустого места». Поэтому плотность льда меньше, чем плотность воды: лед плавает. Другого такого вещества нет! Благодаря этому аномальному свойству водоемы не промерзают до дна, и даже при самых сильных морозах температура воды подо льдом не опускается ниже +4 °С, именно при этой температуре плотность воды самая большая. В то же время вода, превращаясь в лед, приобретает огромную разрушительную силу: она способна разрушать крепчайшие горные породы, приводить в движение грозные лавины и вызывать оползни.

Если стальную иголку осторожно положить на поверхность воды, налитой в блюдце, то иголка не тонет, хотя плотность металла значительно больше плотности воды. Это явление можно объяснить большими силами поверхностного натяжения воды. Поэтому вода в свободном состоянии принимает шарообразную форму, например, капля дождя, мыльный пузырь и т.д. (рис. 110). Благодаря поверхностному натяжению по поверхности воды легко передвигаются некоторые насекомые, например клопы-водомерки (рис. 111).

Рис. 110. Капли росы стремятся принять форму шара Рис. 111. Клоп-водомерка на поверхности воды
Рис. 110.
Капли росы
стремятся принять форму шара
Рис. 111.
Клоп-водомерка
на поверхности воды

Вода и водные растворы находят широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. На получение 1 т стали расходуется 150 т воды, 1 т бумаги – 250 т, 1 т синтетических волокон – 4000 т, 1 т пшеницы – 1500 т, 1 т хлопчатника – 10 000 т воды. Вода используется как сырье в химической отрасли промышленности для получения самых различных неорганических и органических веществ.

Казалось бы, воды на нашей планете много, но следует помнить, что ресурсы чистой пресной воды, пригодной для использования, ограничены. Поэтому каждый человек должен рационально использовать и беречь от загрязнения запасы пресной воды.