Характеристика главных химическиз элементов по БОЛЬШОЙ ЭНЦИКЛОПЕДИИ КИРИИЛА И МЕФОДИЯ

Характеристика главных химическиx элементов по БОЛЬШОЙ ЭНЦИКЛОПЕДИИ КИРИИЛА И МЕФОДИЯ

КИСЛОР˜ОД (лат. Oхygenium), O (читается «о»), химический элемент с атомным номером 8, атомная масса 15,9994. В периодической системе элементов Менделеева расположен во втором периоде в группе VIA.
Природный кислород состоит из смеси трех стабильных нуклидов с массовыми числами 16 (доминирует в смеси, его в ней 99,759 % по массе), 17 (0,037%) и 18 (0,204%). Радиус нейтрального атома кислорода 0,066 нм. Конфигурация внешнего электронного слоя нейтрального невозбужденного атома кислорода 2 s 2 р 4. Энергии последовательной ионизации атома кислорода 13,61819 и 35,118 эВ, сродство к электрону 1,467 эВ. Радиус иона О2-при разных координационных числах от 0,121 нм (координационное число 2) до 0,128 нм (координационное число 8). В соединениях проявляет степень окисления -2 (валентность II) и, реже, -1 (валентность I). По шкале Полинга электроотрицательность кислорода 3,5 (второе место среди неметаллов после фтора ).
В свободном виде кислород — газ без цвета, запаха и вкуса.
История открытия
История открытия кислорода, как и азота, связана с продолжавшимся несколько веков изучением атмосферного воздуха. О том, что воздух по своей природе не однороден, а включает части, одна из которых поддерживает горение и дыхание, а другая — нет, знали еще в 8 веке китайский алхимик Мао Хоа, а позднее в Европе — Леонардо да Винчи. В 1665 английский естествоиспытатель Р. Гук писал, что воздух состоит из газа, содержащегося в селитре, а также из неактивного газа, составляющего большую часть воздуха. О том, что воздух содержит элемент, поддерживающий жизнь, в 18 веке было известно многим химикам. Шведский аптекарь и химик Карл Шееле начал изучать состав воздуха в 1768. В течение трех лет он разлагал нагреванием селитры (KNO3, NaNO3) и другие вещества и получал «огненный воздух», поддерживающий дыхание и горение. Но результаты своих опытов Шееле обнародовал только в 1777 году в книге «Химический трактат о воздухе и огне». В 1774 английский священник и натуралист Дж. Пристли нагреванием «жженой ртути» (оксида ртути HgO) получил газ, поддерживающий горение. Будучи в Париже, Пристли, не знавший, что полученный им газ входит в состав воздуха, сообщил о своем открытии А. Лавуазье и другим ученым. К этому времени был открыт и азот. В 1775 Лавуазье пришел к выводу, что обычный воздух состоит из двух газов — газа, необходимого для дыхания и поддерживающего горение, и газа «противоположного характера» — азота. Лавуазье назвал поддерживающий горение газ oxygene — «образующий кислоты» (от греч. oxys — кислый и gennao — рождаю; отсюда и русское название «кислород»), так как он тогда считал, что все кислоты содержат кислород. Давно уже известно, что кислоты бывают как кислородсодержащими, так и бескислородными, но название, данное элементу Лавуазье, осталось неизменным. На протяжении почти полутора веков 1/16 часть массы атома кислорода служила единицей сравнения масс различных атомов между собой и использовалась при численной характеристике масс атомов различных элементов (так называемая кислородная шкала атомных масс).
Нахождение в природе
Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около 47,4% массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8% (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % (по объему). Элемент кислород входит в состав более 1500 соединений земной коры.
Получение
В настоящее время кислород в промышленности получают за счет разделения воздуха при низких температурах. Сначала воздух сжимают компрессором, при этом воздух разогревается. Сжатому газу дают охладиться до комнатной температуры, а затем обеспечивают его свободное расширение. При расширении температура газа резко понижается. Охлажденный воздух, температура которого на несколько десятков градусов ниже температуры окружающей среды, вновь подвергают сжатию до 10-15 МПа. Затем снова отбирают выделившуюся теплоту. Через несколько циклов «сжатие—расширение» температура падает ниже температуры кипения и кислорода, и азота. Образуется жидкий воздух, который затем подвергают перегонке (дистилляции). Температура кипения кислорода (–182,9°C) более чем на 10 градусов выше, чем температура кипения азота (–195,8°C). Поэтому из жидкости азот испаряется первым, а в остатке накапливается кислород. За счет медленной (фракционной) дистилляции удается получить чистый кислород, в котором содержание примеси азота составляет менее 0,1 объемного процента.
Еще более чистый кислород можно получить при электролизе водных растворов щелочей (NaOH или KOH) или солей кислородсодержащих кислот (обычно используют раствор сульфата натрия Na2SO4). В лаборатории небольшие количества не очень чистого кислорода можно получить при нагревании перманганата калия KMnO4:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2.
Более чистый кислород получают разложением пероксида водорода Н2О2 в присутствии каталитических количеств твердого диоксида марганца MnO2:
2Н2О2 = 2Н2О + О2.
Кислород образуется при сильном (выше 600°C) прокаливании нитрата натрия NaNO3:
2NaNO3 =2NaNO2 + О2,
при нагревании некоторых высших оксидов:
4CrO3= 2Cr2O3 + 3О2;
2PbO2 = 2PbO + О2;
3MnO2 = Mn3O4 + О2.
Ранее кислород получали разложением бертолетовой соли KClO3 в присутствии каталитических количеств диоксида марганца MnO2:
2KClO3 = 2KCl + 3О2.
Однако бертолетова соль образует взрывчатые смеси, поэтому ее для получения кислорода в лабораториях теперь не используют. Разумеется, сейчас никому в голову не придет использовать для получения кислорода прокаливание оксида ртути HgO, так как образующийся в этой реакции кислород загрязнен ядовитыми парами ртути.
Источником кислорода в космических кораблях, подводных лодках и т. п. замкнутых помещениях служит смесь пероксида натрия Na2O2 и супероксида калия KO2. При взаимодействии этих соединений с углекислым газом освобождается кислород:
2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2,
4КО2 + 2СО2 = 2К2СО3 + 3О2.
Если использовать смесь Na2O2 и КО2, взятых в молярном отношении 1:1, то на каждый моль поглощенного из воздуха углекислого газа будет выделяться 1 моль кислорода, так что состав воздуха не будет изменяться за счет поглощения при дыхании кислорода и выделения СО2.
Особенности строения молекулы О2
Атмосферный кислород состоит из двухатомных молекул. Межатомное расстояние в молекуле О2 0,12074 нм. Молекулярный кислород (газообразный и жидкий) — парамагнитное вещество, в каждой молекуле О2 имеется по 2 неспаренных электрона. Этот факт можно объяснить тем, что в молекуле на каждой из двух разрыхляющих орбиталей находится по одному неспаренному электрону.
Энергия диссоциации молекулы О2 на атомы довольно высока и составляет 493,57 кДж/моль.
Физические и химические свойства
При нормальных условиях плотность газа кислорода 1,42897 кг/м3. Температура кипения жидкого кислорода (жидкость имеет голубой цвет) –182,9°C. При температурах от –218,7°C до –229,4°C существует твердый кислород с кубической решеткой (a-модификация), при температурах от –229,4°C до –249,3°C — b-модификация с гексагональной решеткой и при температурах ниже –249,3°C — кубическая g-модификация. При повышенном давлении и низких температурах получены и другие модификации твердого кислорода.
При 20°C растворимость газа О2: 3,1 мл на 100 мл воды, 22 мл на 100 мл этанола, 23,1 мл на 100 мл ацетона. Существуют органические фторсодержащие жидкости (например, перфторбутилтетрагидрофуран), в которых растворимость кислорода значительно более высокая.
Высокая прочность химической связи между атомами в молекуле О2приводит к тому, что при комнатной температуре газообразный кислород химически довольно малоактивен. В природе он медленно вступает в превращения при процессах гниения. Кроме того, кислород при комнатной температуре способен реагировать с гемоглобином крови (точнее с железом II гема ), что обеспечивает перенос кислорода от органов дыхания к другим органам.
Со многими веществами кислород вступает во взаимодействие без нагревания, например, с щелочными и щелочноземельными металлами (образуются соответствующие оксиды типа Li2O, CaO и др., пероксиды типа Na2O2, BaO2 и др. и супероксиды типа КО2, RbO2 и др.), вызывает образование ржавчины на поверхности стальных изделий. Без нагревания кислород реагирует с белым фосфором, с некоторыми альдегидами и другими органическими веществами.
При нагревании, даже небольшом, химическая активность кислорода резко возрастает. При поджигании он реагирует со взрывом с водородом, метаном, другими горючими газами, с большим числом простых и сложных веществ. Известно, что при нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе многие простые и сложные вещества сгорают, причем образуются различные оксиды, например:
S+O2 = SO2; С + O2 = СО2
4Fe + 3O2 = 2Fe2O3; 2Cu + O2 = 2CuO
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O; 2H2S + 3O2 = 2H2O + 2SO2
Если смесь кислорода и водорода хранить в стеклянном сосуде при комнатной температуре, то экзотермическая реакция образования воды
2Н2 + О2= 2Н2О + 571 кДж
протекает крайне медленно; по расчету, первые капельки воды должны появиться в сосуде примерно через миллион лет. Но при внесении в сосуд со смесью этих газов платины или палладия (играющих роль катализатора), а также при поджигании реакция протекает со взрывом.
С азотом N2 кислород реагирует или при высокой температуре (около 1500-2000°C), или при пропускании через смесь азота и кислорода электрического разряда. При этих условиях обратимо образуется оксид азота (II):
N2 + O2 = 2NO
Возникший NO затем реагирует с кислородом с образованием бурого газа (диоксида азота):
2NO + О2 = 2NO2
Из неметаллов кислород напрямую ни при каких условиях не взаимодействует с галогенами, из металлов — с благородными металлами серебром, золотом, платиной и др.
Бинарные соединения кислорода, в которых степень окисления атомов кислорода равна –2, называют оксидами (прежнее название — окислы). Примеры оксидов: оксид углерода (IV) CO2,оксид серы (VI) SO3, оксид меди (I) Cu2O, оксид алюминия Al2O3, оксид марганца (VII) Mn2O7.
Кислород образует также соединения, в которых его степень окисления равна –1. Это — пероксиды (старое название — перекиси), например, пероксид водорода Н2О2, пероксид бария ВаО2, пероксид натрия Na2O2 и другие. В этих соединениях содержится пероксидная группировка — О — О —. С активными щелочными металлами, например, с калием, кислород может образовывать также супероксиды, например, КО2 (супероксид калия), RbO2 (супероксид рубидия). В супероксидах степень окисления кислорода –1/2. Можно отметить, что часто формулы супероксидов записывают как К2О4, Rb2O4 и т.д.
С самым активным неметаллом фтором кислород образует соединения в положительных степенях окисления. Так, в соединении O2F2 степень окисления кислорода +1, а в соединении O2F — +2. Эти соединения принадлежат не к оксидам, а к фторидам. Фториды кислорода можно синтезировать только косвенным путем, например, действуя фтором F2 на разбавленные водные растворы КОН.
Применение кислорода
Применение кислорода очень разнообразно. Основные количества получаемого из воздуха кислорода используются в металлургии. Кислородное (а не воздушное) дутье в домнах позволяет существенно повышать скорость доменного процесса, экономить кокс и получать чугун лучшего качества. Кислородное дутье применяют в кислородных конвертерах при переделе чугуна в сталь (см. ст. Железо). Чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом, используется при получении и многих других металлов (меди, никеля, свинца и др.). Кислород используют при резке и сварке металлов. При этом применяют «баллонный» кислород. В баллоне кислород может находиться под давлением до 15 МПа. Баллоны с кислородом окрашены в голубой цвет.
Жидкий кислород — мощный окислитель, его используют как компонент ракетного топлива. Пропитанные жидким кислородом такие легко окисляющиеся материалы, как древесные опилки, вата, угольный порошок и др. (эти смеси называют оксиликвитами ), используют как взрывчатые вещества, применяемые, например, при прокладке дорог в горах.
Биологическая роль кислорода
Кислород в атмосфере Земли начал накапливаться в результате деятельности первичных фотосинтезирующих организмов, появившихся, вероятно, около 2,8 млрд. лет назад. Полагают, что 2 млрд. лет назад атмосфера уже содержала около 1% кислорода; постепенно из восстановительной она превращалась в окислительную и примерно 400 млн. лет назад приобрела современный состав. Наличие в атмосфере кислорода в значительной степени определило характер биологической эволюции. Аэробный (с участием О2) обмен веществ возник позже анаэробного (без участия О2), но именно реакции биологического окисления, более эффективные, чем древние энергетические процессы брожения и гликолиза, снабжают живые организмы большей частью необходимой им энергии. Исключение составляют облигатные анаэробы, например, некоторые паразиты, для которых кислород является ядом. Использование кислорода, обладающего высоким окислительно-восстановительным потенциалом, в качестве конечного акцептора электронов в цепи дыхательных ферментов, привело к возникновению биохимического механизма дыхания современного типа. Этот механизм и обеспечивает энергией аэробные организмы.
Кислород — основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток — белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных соединений. В каждом растении или животном кислорода гораздо больше, чем любого другого элемента (в среднем около 70%). Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода, костная ткань — 28.5%; всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 43 кг кислорода. В организм животных и человека кислород поступает в основном через органы дыхания (свободный кислород) и с водой (связанный кислород). Потребность организма в кислороде определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависит от массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних условий и др. В экологии как важную энергетическую характеристику определяют отношение суммарного дыхания (то есть суммарных окислительных процессов) сообщества организмов к его суммарной биомассе.
Небольшие количества кислорода используют в медицине: кислородом (из так называемых кислородных подушек) дают некоторое время дышать больным, у которых затруднено дыхание. Нужно, однако, иметь в виду, что длительное вдыхание воздуха, обогащенного кислородом, опасно для здоровья человека. Высокие концентрации кислорода вызывают в тканях образование свободных радикалов, нарушающих структуру и функции биополимеров. Сходным действием на организм обладают и ионизирующие излучения. Поэтому понижение содержания кислорода (гипоксия) в тканях и клетках при облучении организма ионизирующей радиацией обладает защитным действием — так называемый кислородный эффект. Этот эффект используют в лучевой терапии: повышая содержание кислорода в опухоли и понижая его содержание в окружающих тканях усиливают лучевое поражение опухолевых клеток и уменьшают повреждение здоровых. При некоторых заболеваниях применяют насыщение организма кислородом под повышенным давлением — гипербарическую оксигенацию.
Таблица Менделеева.
С. С. Бердоносов, П. С. Бердон Элемент периодической системы

С˜ЕРА (лат. Sulfur), S,

химический элемент с атомным номером 16, атомная масса 32,066. Химический символ серы S произносится «эс». Природная сера состоит из четырех стабильных нуклидов: 32S (содержание 95,084% по массе), 33S (0,74 %), 34S (4,16%) и 36S (0,016 %). Радиус атома серы 0,104 нм. Радиусы ионов: иона S2– 0,170 нм (координационное число 6), иона S4+ 0,051 нм (координационное число 6) и иона S6+ 0,026 нм (координационное число 4). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома серы от S0 до S6+ равны, соответственно, 10,36, 23,35, 34,8, 47,3, 72,5 и 88,0 эВ. Сера расположена в VIA группе периодической системы Д. И. Менделеева, в 3-м периоде, и принадлежит к числу халькогенов. Конфигурация внешнего электронного слоя 3 s 23 p 4. Наиболее характерны степени окисления в соединениях –2, +4, +6 (валентности соответственно II, IV и VI). Значение электроотрицательности серы по Полингу 2,6. Сера относится к числу неметаллов.
В свободном виде сера представляет собой желтые хрупкие кристаллы или желтый порошок.
Историческая справка
Сера встречается в природе в свободном (самородном) состоянии, поэтому она была известна человеку уже в глубокой древности. Сера привлекала внимание характерной окраской, голубым цветом пламени и специфическим запахом, возникающим при горении (запах сернистого газа). Считалось, что горящая сера отгоняет нечистую силу. В Библии говорится об использовании серы для очищения грешников. У человека средневековья запах «серы» ассоциировался с преисподней. Применение горящей серы для дезинфекции упоминается Гомером. В Древнем Риме с помощью сернистого газа отбеливали ткани.
Издавна использовалась сера в медицине — ее пламенем окуривали больных, ее включали в состав различных мазей для лечения кожных заболеваний. В 11 в. Авиценна (Ибн Сина), а затем и европейские алхимики полагали, что металлы, в том числе золото и серебро, состоят из находящихся в различных соотношениях серы и ртути. Поэтому сера играла важную роль в попытках алхимиков найти «философский камень» и превратить недрагоценные металлы в драгоценные. В 16 в. Парацельс считал серу наряду с ртутью и «солью» одним из основных «начал» природы, «душою» всех тел.
Практическое значение серы резко возросло после того, как изобрели черный порох (в состав которого обязательно входит сера). Византийцы в 673 г., защищая Константинополь, сожгли флот неприятеля с помощью так называемого греческого огня — смеси селитры, серы, смолы и других веществ — пламя которого не гасилось водой. В средние века в Европе применялся черный порох, по составу близкий к смеси греческого огня. С тех пор началось широкое использование серы для военных целей.
Издавна было известно и важнейшее соединение серы — серная кислота. Один из создателей ятрохимии, монах Василий Валентин, в 15 в. подробно описал получение серной кислоты путем прокаливания железного купороса (старинное название серной кислоты — купоросное масло).
Элементарную природу серы установил в 1789 А. Лавуазье. В названиях химических соединений, содержащих серу, часто содержится приставка «тио» (например, применяемый в фотографии реактив Na2S2O3 имеет название тиосульфат натрия). Происхождение этой приставки связано с греческим названием серы — theion.
Нахождение в природе
Сера довольно широко распространена в природе. В земной коре ее содержание оценивается в 0,05% по массе. В природе часто встречаются значительные залежи самородной серы (обычно вблизи вулканов); в Европе они расположены на юге Италии, в Сицилии. Большие залежи самородной серы имеются в США (в штатах Луизиана и Техас), а также в Средней Азии, в Японии, в Мексике. В природе сера встречается как россыпями, так и в виде кристаллических пластов, иногда образуя изумительные по красоте группы полупрозрачных желтых кристаллов (так называемые друзы).
В вулканических местностях часто наблюдается выделение из-под земли газа сероводорода H2S; в этих же регионах сероводород встречается в растворенном виде в серных водах. Вулканические газы часто содержат также сернистый газ SO2.
На поверхности нашей планеты широко распространены месторождения различных сульфидных соединений. Наиболее часто среди них встречаются: железный колчедан (пирит) FeS2, медный колчедан (халькопирит) CuFeS2, свинцовый блеск PbS, киноварь HgS, сфалерит ZnS и его кристалическая модификация вюртцит, антимонит Sb2S3 и другие. Известны также многочисленные месторождения различных сульфатов, например, сульфата кальция (гипс CaSO4·2H2O и ангидрит CaSO4), сульфата магния MgSO4 (горькая соль), сульфата бария BaSO4 (барит), сульфата стронция SrSO4 (целестин), сульфата натрия Na2SO4·10H2O (мирабилит) и др.
Каменные угли содержат в среднем 1,0-1,5% серы. Сера может входить и в состав нефти. Целый ряд месторождений природного горючего газа (например, Астраханское) содержат как примесь сероводород.
Сера относится к элементам, которые необходимы для живых организмов, так как она является существенной составной частью белков. Белки содержат 0,8-2,4% (по массе) химически связанной серы. Растения получают серу из сульфатов, содержащихся в почве. Неприятные запахи, возникающие при гниении трупов животных, объясняются главным образом выделением соединений серы (сероводорода и меркаптанов), образующихся при разложении белков. В морской воде присутствует около 8,7·10-2 % серы.
Получение
Серу получают, в основном, выплавляя ее из горных пород, содержащих самородную (элементарную) серу. Так называемый геотехнологический способ позволяет получать серу без подъема руды на поверхность. Этот способ был предложен в конце 19 в. американским химиком Г. Фрашем, перед которым встала задача извлечения на поверхность земли серы из месторождений юга США, где песчаный грунт резко усложнял ее добычу традиционным шахтным методом.
Фраш предложил использовать для подъема серы на поверхность перегретый водяной пар. Перегретый пар по трубе подают в подземный слой, содержащий серу. Сера плавится (ее температура плавления немного ниже 120°С) и по трубе, расположенной внутри той, по которой под землю закачивают водяной пар, поднимается наверх. Для того, чтобы обеспечить подъем жидкой серы, через самую тонкую внутреннюю трубу нагнетают сжатый воздух.
По другому (термическому) методу, получившему особое распространение в начале 20 в. на Сицилии, серу выплавляют, или возгоняют, из дробленной горной породы в специальных глиняных печах.
Существуют и другие методы выделения самородной серы из породы, например, экстракцией сероуглеродом или флотационными методами.
В связи с тем, что потребность промышленности в сере очень велика, разработаны методы ее получения из сероводорода H2S и сульфатов.
Метод окисления сероводорода до элементарной серы был впервые разработан в Великобритании, где значительные количества серы научились получать из остающегося после получении соды Na2CO3 по методу французского химика Н. Леблана сульфида кальция CaS. Метод Леблана основан на восстановлении сульфата натрия углем в присутствии известняка CaCO3.
Na2SO4 + 2C = Na2S + 2CO2;
Na2S + CaCO3 = Na2CO3 + CaS.
Соду затем выщелачивают водой, а водную суспензию плохо растворимого сульфида кальция обрабатывают диоксидом углерода:
CaS + CO2 + H2O = CaCO3 + H2S
Образующийся сероводород H2S в смеси с воздухом пропускают в печи над слоем катализатора. При этом за счет неполного окисления сероводорода образуется сера:
2H2S + O2 = 2H2O +2S
Аналогичный метод используют для получения элементарной серы и из сероводорода, сопутствующего природным газам.
Так как современная техника нуждается в сере высокой чистоты, разработаны эффективные методы рафинирования серы. При этом используют, в частности, различия в химическом поведении серы и примесей. Так, мышьяк и селен удаляют, обработав серу смесью азотной и серной кислот.
Использованием методов, основанных на дистилляции и ректификации, удается получить высокочистую серу с содержанием примесей 10–5–10–6% по массе.
Физические и химические свойства
Атомы серы обладают уникальной способностью образовывать устойчивые гомоцепи, т. е. цепи, состоящие только из атомов S (энергия связи S–S составляет около 260 кДж/моль). Гомоцепи серы имеют зигзагообразную форму, так как в их образовании принимают участие электроны, расположенные в соседних атомах на взаимно перпендикулярных р-орбиталях. Эти цепи могут достигать большой длины, или, наоборот, образовывать замкнутые кольца S20, S8, S6, S4.
Поэтому сера образует несколько десятков как кристаллических, так и аморфных модификаций, отличающихся как составом молекул и полимерных цепей, так и способом их упаковки в твердом состоянии.
При нормальном давлении и температурах до 98,38 °C стабильна a-модификация серы (иначе эту модификацию называют ромбической), образующая лимонно-желтые кристаллы. Ее кристаллическая решетка орторомбическая, параметры элементарной ячейки a = 1,04646, b = 1,28660, c = 2,4486 нм. Плотность 2,07 кг/дм3. Выше 95,39 °C стабильна b -модификация серы (так называемая моноклинная сера). При комнатной температуре параметры элементарной ячейки моноклинной b-S a = 1.090, b = 1.096, c = 1,102 нм, t = 83,27 °С. Плотность b-S 1,96 кг/дм3.
В структурах как a-, так и b-модификаций серы имеются неплоские восьмичленные циклические молекулы S8. Такие молекулы немного похожи на короны.
Две эти модификации серы отличаются взаимной ориентацией молекул S8 в кристаллической решетке.
Еще одну модификацию серы — так называемую ромбоэдрическую серу — можно получить выливанием раствора тиосульфата натрия Na2S2O3 в концентрированную соляную кислоту при 0 °C с последующей экстракцией серы толуолом. После испарения растворителя возникают ромбоэдрические кристаллы, содержащие молекулы S6 в форме кресла.
Аморфную серу (плотность 1,92 г/см3) и резиноподобную пластическую серу получают при резком охлаждении расплавленной серы (выливая расплав в холодную воду). Эти модификации состоят из нерегулярных зигзагообразных цепей Sn. При длительном выдерживании при температурах 20-95 °C все модификации серы превращаются в a-серу.
Температура плавления ромбической a -серы 112,8 °С, а моноклинной b-серы 119,3 °С. И в том, и в другом случае образуется легкоподвижная желтая жидкость, которая при температуре около 160 °С темнеет; ее вязкость повышается, и при температуре выше 200 °С расплавленная сера становится темно-коричневой и вязкой, как смола. Это объясняется тем, что сначала в расплаве разрушаются кольцевые молекулы S8. Возникающие фрагменты объединяются друг с другом с образованием длинных цепей Sµ из нескольких сотен тысяч атомов. Дальнейшее нагревание расплавленной серы (выше температуры 250 °C) ведет к частичному разрыву цепей, и жидкость снова становится более подвижной. На рис. показана температурная зависимость вязкости жидкой серы. Около 190 °C ее вязкость примерно в 9000 раз больше, чем при 160 °C.
При температуре 444,6 °C расплавленная сера закипает. В зависимости от температуры в ее парах можно обнаружить молекулы S8, S6, S4 и S2. Изменение состава молекул вызывает изменение окраски паров серы от оранжево-желтого до соломенно-желтого цвета. При температуре выше 1500 °C молекулы S2 диссоциируют на атомы.
Молекулы S2 парамагнитны и построены аналогично молекуле O2. Во всех других состояниях сера диамагнитна.
В воде сера практически нерастворима. Некоторые ее модификации растворяются в органических жидкостях (толуоле, бензоле) и особенно хорошо — в сероуглероде CS2 и жидком аммиаке NH3.
Сера — достаточно активный неметалл. Даже при умеренном нагревании она окисляет многие простые вещества, но и сама довольно легко окисляется кислородом и галогенами.
S + O2 = SO2, S + 3F2 = SF6,
2S + Cl2 = S2Cl2 (c примесью SCl2)
С водородом при нагревании сера образует сероводород H2S и в небольшом количестве сульфаны (соединения состава H2Sn):
H2 + S <> H2S.
Примеры реакций серы с металлами:
2Na + S = Na2S, Ca + S = CaS, Fe + S = FeS
Образующиеся в этих реакциях сульфиды характеризуются не постоянным, а, как правило, переменным составом. Так, состав сульфида кальция может непрерывно изменяться в границах от CaS до CaS5. Полисульфиды типа СаSn или Na2Sn при взаимодействии, например, с соляной кислотой образуют сульфаны H2S n, причем значение n может составлять от 1 до приблизительно 10.
Концентрированная серная кислота при нагревании окисляет серу до SO2:
S + 2H2SO4 = 2H2O + 3SO2.
Царская водка (смесь азотной и соляной кислот) окисляет серу до серной кислоты.
Разбавленная азотная кислота, соляная кислота без окислителей и серная кислота на холоде с серой во взаимодействие не вступают. При нагревании в кипящей воде или растворах щелочей сера диспропорционирует:
3S + 6NaOH <> 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O;
Сера может присоединяться к сульфидам
Na2S + (n–1)S = Na2Sn
и к сульфитам:
Na2SO3 + S = Na2S2O3
В результате протекания данной реакции из сульфита натрия Na2SO3 образуется тиосульфат натрия Na2S2O3.
При нагревании сера реагирует почти со всеми элементами, кроме инертных газов, иода, азота, платины и золота.
Известно несколько оксидов серы. Кроме устойчивых диоксида серы SO2 [другие названия: сернистый газ, сернистый ангидрид, оксид серы (IV)] и триоксида серы SO3 [другие названия: серный газ, серный ангидрид, оксид серы (VI)], получены неустойчивые оксиды S2O (при пропускании тока SO2 через тлеющий разряд) и S8O (при взаимодействии H2S c SOCl2). Пероксиды SO4 и S2O7 образуются при пропускании SO2 в смеси с кислородом через тлеющий разряд или за счет окисления SO2 озоном.
Кислотному диоксиду серы SO2 соответствует неустойчивая кислота средней силы H2SO3 (сернистая кислота):
Н2О + SO2 <> H2SO3,
а кислотному триоксиду серы SO3— сильная двухосновная серная кислота H2SO4:
SO3 + H2O = H2SO4
И сернистой кислоте H2SO3, и серной H2SO4 соответствуют по два ряда солей: кислые [соответственно гидросульфиты NaHSO3, Ca(HSO3)2 и др. и гидросульфаты КНSO4, NaНSO4 и другие] и средние [сульфиты Na2SO3, K2SO3 и сульфаты CaSO4, Fe2(SO4)3].
Сера входит в состав многих органических соединений (см. статьи Тиофен, Тиолы и другие).
Применение
Около половины производимой серы используется на производство серной кислоты, около 25% расходуется для получения сульфитов, 10-15% — для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур (главным образом винограда и хлопчатника) (наибольшее значение здесь имеет раствор медного купороса CuSO4·5H2O), около 10% используется резиновой промышленностью для вулканизации резины. Серу применяют при производстве красителей и пигментов, взрывчатых веществ (она до сих пор входит в состав пороха), искусственных волокон, люминофоров. Серу используют при производстве спичек, так как она входит в состав, из которого изготовляют головки спичек. Серу до сих пор содержат некоторые мази, которыми лечат заболевания кожи. Для придания сталям особых свойств в них вводят небольшие добавки серы (хотя, как правило, примесь серы в сталях нежелательна).
Биологическая роль
Сера постоянно присутствует во всех живых организмах, являясь важным биогенным элементом. Ее содержание в растениях составляет 0,3-1,2 %, в животных 0,5-2 % (морские организмы содержат больше серы, чем наземные). Биологическое значение серы определяется прежде всего тем, что она входит в состав аминокислот метионина и цистеина и, следовательно, в состав пептидов и белков. Дисульфидные связи –S–S– в полипетидных цепях участвуют в формировании пространственной структуры белков, а сульфгидрильные группы (–SH) играют важную роль в активных центрах ферментов. Кроме того, сера входит в молекулы гормонов, важных веществ. Много серы содержится в кератине волос, костях, нервной ткани. Неорганические соединения серы необходимы для минерального питания растений. Они служат субстратами окислительных реакций, осуществляемых распространенными в природе серобактериями.
В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 1402 г серы. Суточная потребность взрослого человека в сере — около 4.
Однако по своему отрицательному воздействию на окружающую среду и человека сера (точнее, ее соединения) стоит на одном из первых мест. Основной источник загрязнения серой — сжигание каменного угля и других видов топлива, содержащих серу. При этом около 96% серы, содержащейся в топливе, попадает в атмосферу в виде сернистого газа SO2.
В атмосфере сернистый газ постепенно окисляется до оксида серы (VI). Оба оксида — и оксид серы (IV), и оксид серы (VI) — взаимодействуют с парами воды с образованием кислотного раствора. Затем эти растворы выпадают в виде кислотных дождей. Оказавшись в почве, кислотные воды угнетают развитие почвенной фауны и растений. В результате создаются неблагоприятные условия для развития растительности, особенно в северных регионах, где к суровому климату добавляется химическое загрязнение. В результате гибнут леса, нарушается травяной покров, ухудшается состояние водоемов. Кислотные дожди разрушают изготовленные из мрамора и других материалов памятники, более того, они вызывают разрушение даже каменных зданий и изделий из металлов. Поэтому приходится принимать разнообразные меры по предотвращению попадания соединений серы из топлива в атмосферу. Для этого подвергают очистке от соединений серы нефть и нефтепродукты, очищают образующиеся при сжигании топлива газы.
Сама по себе сера в виде пыли раздражает слизистые оболочки, органы дыхания и может вызывать серьезные заболевания. ПДК серы в воздухе 0,07 мг/м3.
Многие соединения серы токсичны. Особенно следует отметить сероводород, вдыхание которого быстро вызывает притупление реакции на его неприятный запах и может привести к тяжелым отравлениям даже с летальным исходом. ПДК сероводорода в воздухе рабочих помещений 10 мг/м3, в атмосферном воздухе 0,008 мг/м3.
Таблица Менделеева

С. С. Бердоносов, П. С. Бердоносов

УГЛЕР˜ОД (лат. Carboneum, от cаrbo — уголь), С (читается «це»), химический элемент с атомным номером 6, атомная масса 12,011. Природный углерод состоит из двух стабильных нуклидов: 12С, 98,892% по массе и 13C — 1,108%. В природной смеси нуклидов в ничтожных количествах всегда присутствует радиоактивный нуклид 14C (b--излучатель, период полураспада 5730 лет). Он постоянно образуется в нижних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14N:
147N + 10n = 146C + 11H.
Углерод расположен в группе IVA, во втором периоде периодической системы. Конфигурация внешнего электронного слоя атома в основном состоянии 2 s 2 p 2. Важнейшие степени окисления +2 +4, –4, валентности IV и II.
Радиус нейтрального атома углерода 0,077 нм. Радиус иона C4+ 0,029 нм (координационное число 4), 0,030 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома равны 11,260, 24,382, 47,883, 64,492 и 392,09 эВ. Электроотрицательность по Полингу 2,5.
Историческая справка
Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь использовали для восстановления металлов из руд, алмаз — как драгоценный камень. В 1789 французский химик А. Л. Лавуазье сделал вывод об элементарной природе углерода.
Искусственные алмазы впервые были получены в 1953 шведскими исследователями, но результаты они не успели опубликовать. В декабре 1954 искусственные алмазы получили, а в начале 1955 опубликовали результаты сотрудники компании «Дженерал электрик».
В СССР искусственные алмазы впервые были получены в 1960 группой ученых под руководством В. Н. Бакуля и Л. Ф. Верещагина.
В 1961 группой советских химиков под руководством В. В. Коршака была синтезирована линейная модификация углерода — карбин. Вскоре карбин был обнаружен в метеоритном кратере Рис (Германия). В 1969 в СССР были синтезированы нитевидные кристаллы алмаза при обычном давлении, обладающие высокой прочностью и практически лишенные дефектов.
В 1985 Г. Крото обнаружил новую форму углерода —фуллерены С60 и С70 в масс-спектре испаряемого при облучении лазером графита. При высоких давлениях получен лонсдейлит.
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 0,48% по массе. Накапливается в биосфере: в живом веществе 18% угля, в древесине 50%, торфе 62%, природных горючих газах 75%, горючих сланцах 78%, каменном и буром угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть угля литосферы сосредоточена в известняках и доломитах. Углерод в степени окисления +4 входит в состав карбонатных пород и минералов (мел, известняк, мрамор, доломиты). Углекислый газ CO2 (0,046% по массе) постоянный компонент атмосферного воздуха. Углекислый газ в растворенном виде всегда присутствует в воде рек, озер и морей.
В атмосфере звезд, планет и в метеоритах обнаружены вещества, содержащие углерод.
Получение
С древности уголь получали при неполном сгорании древесины. В 19 веке древесный уголь в металлургии заменили каменным углем (коксом).
В настоящее время для промышленного получения чистого углерода используют крекинг природного газа метана СН4:
СН4 = С + 2Н2
Уголь для медицинских целей готовят сжиганием кожуры кокосовых орехов. Для лабораторных нужд чистый уголь, не содержащий несгораемых примесей, получают неполным сжиганием сахара.
Физические и химические свойства
Углерод — неметалл.
Многообразие соединений углерода объясняется способностью его атомов связываться между собой, образуя объемные структуры, слои, цепи, циклы. Известны четыре аллотропические модификации углерода: алмаз, графит, карбин и фуллерит. Древесный уголь состоит из мельчайших кристалликов с неупорядоченной структурой графита. Его плотность 1,8-2,1 г/см3. Сажа представляет собой сильно измельченный графит.
Алмаз — минерал с кубической гранецентрированной решеткой. Атомы С в алмазе находятся в sp 3-гибридизованном состоянии. Каждый атом образует 4 ковалентные s-связи с четырьмя соседними атомами С, расположенными по вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом С. Расстояния между атомами в тетраэдре 0,154 нм. Электронная проводимость отсутствует, ширина запрещенной зоны 5,7 эВ. Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема. Его плотность 3,51 г/см3.. Твердость по минералогической шкале Мооса принята за 10. Алмаз можно поцарапать только другим алмазом; но он хрупок и при ударе раскалывается на куски неправильной формы. Термодинамически устойчив лишь при высоких давлениях. Однако, при 1800 °C превращение алмаза в графит происходит быстро. Обратное превращение графита в алмаз происходит при 2700°C и давлении 11-12 ГПа.
Графит — слоистое темно-серое вещество с гексагональной кристаллической решеткой. Термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений. Состоит из параллельных слоев, образованных правильными шестиугольниками из атомов С. Углеродные атомы каждого слоя расположены против центров шестиугольников, находящихся в соседних слоях; положение слоев повторяется через один, а каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0,1418 нм. Внутри слоя связи между атомами ковалентные, образованы sp 2-гибридными орбиталями. Связи между слоями осуществляются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, поэтому графит легко расслаивается. Такое состояние стабилизирует четвертая делокализованная p-связь. Графит обладает хорошей электрической проводимостью. Плотность графита 2,1-2,5 кг/дм3.
Во всех аллотропических модификациях при обычных условиях углерод химически малоактивен. В химические реакции вступает только при нагревании. При этом химическая активность углерода убывает в ряду сажа—древесный уголь—графит—алмаз. Сажа на воздухе воспламеняется при нагревании до 300°C, алмаз — при 850-1000°C. При горении образуется углекислый газ СО2 и CO. Нагревая СО2 с углем, также получают оксид углерода (II) CО:
СО2+ С = 2СО
С + Н2О (перегретый пар) = СО +Н2
Синтезирован оксид углерода С2О3.
СО2 — кислотный оксид, ему отвечает слабая неустойчивая, существующая только в сильно разбавленных холодных водных растворах угольная кислота Н2СО3. Соли угольной кислоты — карбонаты (К2СО3, СаСО3) и гидрокарбонаты (NaHCO3, Са(НСО3)2).
С водородом графит и древесный уголь реагируют при температуре выше 1200°C, образуя смесь углеводородов. Реагируя со фтором при 900°C, образует смесь фторуглеродных соединений. Пропуская электрический разряд между угольными электродами в атмосфере азота, получают газ циан (CN)2; если в газовой смеси присутствует водород, образуется синильная кислота HCN. При очень высоких температурах графит реагирует с серой, кремнием, бором, образуя карбиды — CS2, SiC, В4С.
Карбиды получают взаимодействием графита с металлами при высоких температурах: карбид натрия Na2C2, карбид кальция CaC2, карбид магния Mg2C3, карбид алюминия Al4C3. Эти карбиды легко разлагаются водой на гидроксид металла и соответствующий углеводород:
Al4C3 + 12Н2О = 4Al(ОН)3 + 3СН4
С переходными металлами углерод образует металлоподобные химически стойкие карбиды, например, карбид железа (цементит) Fe3C, карбид хрома Cr2C3, карбид вольфрама WС. Карбиды — кристаллические вещества, природа химической связи может быть различной.
При нагревании уголь восстанавливает многие металлы из их оксидов:
FeO + C = Fe + CO,
2CuO+ C = 2Cu+ CO2
При нагревании восстанавливает серу(VI) до серы(IV) из концентрированной серной кислотой:
2H2SO4+ C = CO2+ 2SO2+ 2H2O
При 3500°C и нормальном давлении углерод сублимирует.
Применение
Свыше 90% всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо. 10% добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического и нефтехимического синтеза, для получения пластмасс.
Физиологическое действие
Углерод — важнейший биогенный элемент, является структурной единицей органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, витамины, гормоны, медиаторы и другие). Содержание углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет 34,5-40% у водных растений и животных, 45,4-46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду CO2. Углекислый газ, растворенный в биологических жидкостях и природных водах, участвует в поддержании оптимальной для жизнедеятельности кислотности среды. В составе CaCO3 углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных, содержится в кораллах, яичной скорлупе.
При различных производственных процессах частицы угля, сажи, графита, алмаза попадают в атмосферу и находятся в ней в виде аэрозолей. ПДК для углеродной пыли в рабочих помещениях 4,0 мг/м3 , для каменного угля 10 мг/м3.
Таблица Менделеева

С. С. Бердоносов, П. С. Бердоносов

АЗ˜ОТ (лат. Nitrogenium — рождающий селитры), N (читается «эн»), химический элемент второго периода VA группы периодической системы, атомный номер 7, атомная масса 14,0067. В свободном виде — газ без цвета, запаха и вкуса, плохо растворим в воде. Состоит из двухатомных молекул N2, обладающих высокой прочностью. Относится к неметаллам.
Природный азот состоит из стабильных нуклидов 14N (содержание в смеси 99,635% по массе) и 15N. Конфигурация внешнего электронного слоя 2 s 2 2р 3. Радиус нейтрального атома азота 0,074 нм, радиус ионов: N3- — 0,132, N3+ — 0,030 и N5+ — 0,027 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома азота равны, соответственно, 14,53, 29,60, 47,45, 77,47 и 97,89 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность азота 3,05.
История открытия
Открыт в 1772 шотландским ученым Д. Резерфордом в составе продуктов сжигания угля, серы и фосфора как газ, непригодный для дыхания и горения («удушливый воздух») и в отличие от CO2 не поглощаемый раствором щелочи. Вскоре французский химик А. Л. Лавуазье пришел к выводу, что «удушливый» газ входит в состав атмосферного воздуха, и предложил для него название «azote» (от греч. azoos — безжизненный). В 1784 английский физик и химик Г. Кавендиш установил присутствие азота в селитре (отсюда латинское название азота, предложенное в 1790 французским химиком Ж. Шанталем).
Нахождение в природе
В природе свободный (молекулярный) азот входит в состав атмосферного воздуха (в воздухе 78,09% по объему и 75,6% по массе азота), а в связанном виде — в состав двух селитр: натриевой NaNO3 (встречается в Чили, отсюда название чилийская селитра) и калиевой KNO3 (встречается в Индии, отсюда название индийская селитра) — и ряда других соединений. По распространенности в земной коре азот занимает 17-е место, на его долю приходится 0,0019% земной коры по массе. Несмотря на свое название, азот присутствует во всех живых организмах (1-3% на сухую массу), являясь важнейшим биогенным элементом. Он входит в состав молекул белков, нуклеиновых кислот, коферментов, гемоглобина, хлорофилла и многих других биологически активных веществ. Некоторые, так называемые азотфиксирующие, микроорганизмы способны усваивать молекулярный азот воздуха, переводя его в соединения, доступные для использования другими организмами (см. Азотфиксация). Превращения соединений азота в живых клетках — важнейшая часть обмена веществ у всех организмов.
Получение
В промышленности азот получают из воздуха. Для этого воздух сначала охлаждают, сжижают, а жидкий воздух подвергают перегонке (дистилляции). Температура кипения азота немного ниже (-195,8 °C), чем другого компонента воздуха — кислорода (-182,9 °C), поэтому при осторожном нагревании жидкого воздуха азот испаряется первым. Потребителям газообразный азот поставляют в сжатом виде (150 атм. или 15 МПа) в черных баллонах, имеющих желтую надпись «азот». Хранят жидкий азот в сосудах Дьюара.
В лаборатории чистый («химический») азот получают, добавляя при нагревании насыщенный раствор хлорида аммония NH4Cl к твердому нитриту натрия NaNO2:
NaNO2 + NH4Cl = NaCl + N2 + 2H2O.
Можно также нагревать твердый нитрит аммония:
NH4NO2 = N2 + 2H2O.
Физические и химические свойства
Плотность газообразного азота при 0 °C 1,25046 г/дм3, жидкого азота (при температуре кипения) — 0,808 кг/дм3. Газообразный азот при нормальном давлении при температуре –195,8 °C переходит в бесцветную жидкость, а при температуре –210,0 °C — в белое твердое вещество. В твердом состоянии существует в виде двух полиморфных модификаций: ниже –237,54 °C устойчива форма с кубической решеткой, выше — с гексагональной.
Критическая температура азота –146,95 °C, критическое давление 3,9МПа, тройная точка лежит при температуре –210,0 °C и давлении 125,03 гПа, из чего следует, что азот при комнатной температуре ни при каком, даже очень высоком давлении, нельзя превратить в жидкость.
Теплота испарения жидкого азота 199,3 кДж/кг (при температуре кипения), теплота плавления азота 25,5 кДж/кг (при температуре –210 °C).
Энергия связи атомов в молекуле N2 очень велика и составляет 941,6 кДж/моль. Расстояние между центрами атомов в молекуле 0,110 нм. Это свидетельствует о том, что связь между атомами азота тройная. Высокая прочность молекулы N2 может быть объяснена в рамках метода молекулярных орбиталей. Энергетическая схема заполнения молекулярных орбиталей в молекуле N2 показывает, что электронами в ней заполнены только связывающие s- и p-орбитали. Молекула азота немагнитна (диамагнитна).
Из-за высокой прочности молекулы N2процессы разложения различных соединений азота (в том числе и печально знаменитого взрывчатого вещества гексогена) при нагревании, ударах и т. д. приводят к образованию молекул N2. Так как объем образовавшегося газа значительно больше, чем объем исходного взрывчатого вещества, гремит взрыв.
Химически азот довольно инертен и при комнатной температуре реагирует только с металлом литием с образованием твердого нитрида лития Li3N. В соединениях проявляет различные степени окисления (от –3 до +5). С водородом образует аммиак NH3. Косвенным путем (не из простых веществ) получают гидразин N2H4 и азотистоводородную кислоту HN3. Соли этой кислоты — азиды. Азид свинца Pb(N3)2 разлагается при ударе, поэтому его используют как детонатор, например, в капсюлях патронов.
Известно несколько оксидов азота. С галогенами азот непосредственно не реагирует, косвенными путями получены NF3, NCl3, NBr3 и NI3, а также несколько оксигалогенидов (соединений, в состав которых, кроме азота, входят атомы и галогена, и кислорода, например, NOF3).
Галогениды азота неустойчивы и легко разлагаются при нагревании (некоторые — при хранении) на простые вещества. Так, NI3 выпадает в осадок при сливании водных растворов аммиака и иодной настойки. Уже при легком сотрясении сухой NI3 взрывается:
2NI3 = N2 + 3I2.
Азот не реагирует с серой, углеродом, фосфором, кремнием и некоторыми другими неметаллами.
При нагревании азот реагирует с магнием и щелочноземельными металлами, при этом возникают солеобразные нитриды общей формулы М3N2, которые разлагаются водой с образованием соответствующих гидроксидов и аммиака, например:
Са3N2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3.
Аналогично ведут себя и нитриды щелочных металлов. Взаимодействие азота с переходными металлами приводит к образованию твердых металлоподобных нитридов различного состава. Например, при взаимодействии железа и азота образуются нитриды железа состава Fe2N и Fe4N. При нагревании азота с ацетиленом C2H2 может быть получен цианистый водород HCN.
Из сложных неорганических соединений азота наибольшее значение имеют азотная кислота HNO3, ее соли нитраты, а также азотистая кислота HNO2 и ее соли нитриты.
Применение
В промышленности газ азот используют главным образом для получения аммиака. Как химически инертный газ азот применяют для обеспечения инертной среды в различных химических и металлургических процессах, при перекачке горючих жидкостей. Жидкий азот широко используют как хладагент, его применяют в медицине, особенно в косметологии. Важное значение в поддержании плодородия почв имеют азотные минеральные удобрения.
Таблица Менделеева

С. С. Бердоносов, П. С. Бердоносов

Элемент периодической системы

ХЛОР (лат. Сhlorum), Cl (читается «хлор»), химический элемент с атомным номером 17, атомная масса 35,453. В свободном виде — желто-зеленый тяжелый газ с резким удушливым запахом (отсюда название: греч. chloros — желто-зеленый).
Природный хлор представляет смесь двух нуклидов с массовыми числами 35 (в смеси 75,77% по массе) и 37 (24,23%). Конфигурация внешнего электронного слоя 3 s 2 p 5. В соединениях проявляет главным образом степени окисления –1, +1, +3, +5 и +7 (валентности I, III, V и VII). Расположен в третьем периоде в группе VIIА периодической системы элементов Менделеева, относится к галогенам.
Радиус нейтрального атома хлора 0,099 нм, ионные радиусы равны, соответственно (в скобках указаны значения координационного числа): Cl- 0,167 нм (6), Cl5+ 0,026 нм (3) и Clr7+ 0,022 нм (3) и 0,041 нм (6). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома хлора равны, соответственно, 12,97, 23,80, 35,9, 53,5, 67,8, 96,7 и 114,3 эВ. Сродство к электрону 3,614 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность хлора 3,16.
История открытия
Важнейшее химическое соединение хлора — поваренная соль (химическая формула NaCl, химическое название хлорид натрия) — было известно человеку с древнейших времен. Имеются свидетельства того, что добыча поваренной соли осуществлялась еще 3-4 тысячи лет до нашей эры в Ливии. Возможно, что, используя поваренную соль для различных манипуляций, алхимики сталкивались и с газообразным хлором. Для растворения «царя металлов» — золота — они использовали «царскую водку» — смесь соляной и азотной кислот, при взаимодействии которых выделяется хлор.
Впервые газ хлор получил и подробно описал шведский химик К. Шееле в 1774 году. Он нагревал соляную кислоту с минералом пиролюзитом MnO2 и наблюдал выделение желто-зеленого газа с резким запахом. Так как в те времена господствовала теория флогистона, новый газ Шееле рассматривал как «дефлогистонированную соляную кислоту», т. е. как окись (оксид) соляной кислоты. А.Лавуазье рассматривал газ как оксид элемента «мурия» (соляную кислоту называли муриевой, от лат. muria — рассол). Такую же точку зрения сначала разделял английский ученый Г. Дэви, который потратил много времени на то, чтобы разложить «окись мурия» на простые вещества. Это ему не удалось, и к 1811 году Дэви пришел к выводу, что данный газ — это простое вещество, и ему отвечает химический элемент. Дэви первым предложил в соответствие с желто-зеленой окраской газа назвать его chlorine (хлорин). Название «хлор» элементу дал в 1812 французский химик Ж. Л. Гей-Люссак; оно принято во всех странах, кроме Великобритании и США, где сохранилось название, введенное Дэви. Высказывалось мнение о том, что данный элемент следует назвать «галоген» (т. е. рождающий соли), но оно со временем стало общим названием всех элементов группы VIIA.
Нахождение в природе
Содержание хлора в земной коре составляет 0,013% по массе, в заметной концентрации он в виде иона Cl– присутствует в морской воде (в среднем около 18,8 г/л). Химически хлор высоко активен и поэтому в свободном виде в природе не встречается. Он входит в состав таких минералов, образующих большие залежи, как поваренная, или каменная, соль (галит) NaCl, карналлит KCl·MgCl2·6H21O, сильвин КСl, сильвинит (Na, K)Cl, каинит КСl·MgSO4·3Н2О, бишофит MgCl2·6H2O и многих других. Хлор можно обнаружить в самых разных породах, в почве.
Получение
Для получения газообразного хлора используют электролиз крепкого водного раствора NaCl (иногда используют KCl). Электролиз проводят с использованием катионообменной мембраны, разделяющей катодное и анодное пространства. При этом за счет процесса
2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2 + Cl2
получают сразу три ценных химических продукта: на аноде — хлор, на катоде — водород, и в электролизере накапливается щелочь (1,13 тонны NaOH на каждую тонну полученного хлора). Производство хлора электролизом требует больших затрат электроэнергии: на получение1 т хлора расходуется от 2,3 до 3,7 МВт.
Для получения хлора в лаборатории используют реакцию концентрированной соляной кислоты с каким-либо сильным окислителем (перманганатом калия KMnO4, дихроматом калия K2Cr2O7, хлоратом калия KClO3, хлорной известью CaClOCl, оксидом марганца (IV) MnO2). Наиболее удобно использовать для этих целей перманганат калия: в этом случае реакция протекает без нагревания:
2KMnO4 + 16HCl = 2KСl + 2MnCl2+ 5Cl2+ 8H2O.
При необходимости хлор в сжиженном (под давлением) виде транспортируют в железнодорожных цистернах или в стальных баллонах. Баллоны с хлором имеют специальную маркировку, но даже при ее отсутствии хлорный баллон легко отличить от баллонов с другими неядовитыми газами. Дно хлорных баллонов имеет форму полушария, и баллон с жидким хлором невозможно без опоры поставить вертикально.
Физические и химические свойства
При обычных условиях хлор — желто-зеленый газ, плотность газа при 25°C 3,214 г/дм3 (примерно в 2,5 раза больше плотности воздуха). Температура плавления твердого хлора –100,98°C, температура кипения –33,97°C. Стандартный электродный потенциал Сl2/Сl- в водном растворе равен +1,3583 В.
В свободном состоянии существует в виде двухатомных молекул Сl2. Межъядерное расстояние в этой молекуле 0,1987 нм. Сродство к электрону молекулы Сl2 2,45 эВ, потенциал ионизации 11,48 эВ. Энергия диссоциации молекул Сl2 на атомы сравнительно невелика и составляет 239,23 кДж/моль.
Хлор немного растворим в воде. При температуре 0°C растворимость составляет 1,44 масс.%, при 20°C — 0,711°C масс.%, при 60°C — 0,323 масс. %. Раствор хлора в воде называют хлорной водой. В хлорной воде устанавливается равновесие:
Сl2 + H2O H+ = Сl- + HOСl.
Для того, чтобы сместить это равновесие влево, т. е. понизить растворимость хлора в воде, в воду следует добавить или хлорид натрия NaCl, или какую-либо нелетучую сильную кислоту (например, серную).
Хлор хорошо растворим во многих неполярных жидкостях. Жидкий хлор сам служит растворителем таких веществ, как ВСl3, SiCl4, TiCl4.
Из-за низкой энергии диссоциации молекул Сl2 на атомы и высокого сродства атома хлора к электрону химически хлор высоко активен. Он вступает в непосредственное взаимодействие с большинством металлов (в том числе, например, с золотом) и многими неметаллами. Так, без нагревания хлор реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами, с сурьмой:
2Sb + 3Cl2 = 2SbCl3
При нагревании хлор реагирует с алюминием:
3Сl2 + 2Аl = 2А1Сl3
и железом:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3.
С водородом H2 хлор реагирует или при поджигании (хлор спокойно горит в атмосфере водорода), или при облучении смеси хлора и водорода ультрафиолетовым светом. При этом возникает газ хлороводород НСl:
Н2 + Сl2 = 2НСl.
Раствор хлороводорода в воде называют соляной (хлороводородной) кислотой. Максимальная массовая концентрация соляной кислоты около 38%. Соли соляной кислоты — хлориды, например, хлорид аммония NH4Cl, хлорид кальция СаСl2, хлорид бария ВаСl2 и другие. Многие хлориды хорошо растворимы в воде. Практически нерастворим в воде и в кислых водных растворах хлорид серебра AgCl. Качественная реакция на присутствие хлорид-ионов в растворе — образование с ионами Ag+ белого осадка AgСl, практически нерастворимого в азотнокислой среде:
СаСl2 + 2AgNO3 = Ca(NO3)2 + 2AgCl.
При комнатной температуре хлор реагирует с серой (образуется так называемая однохлористая сера S2Cl2) и фтором (образуются соединения ClF и СlF3). При нагревании хлор взаимодействует с фосфором (образуются, в зависимости от условий проведения реакции, соединения РСl3 или РСl5), мышьяком, бором и другими неметаллами. Непосредственно хлор не реагирует с кислородом, азотом, углеродом (многочисленные соединения хлора с этими элементами получают косвенными путями) и инертными газами (в последнее время ученые нашли способы активирования подобных реакций и их осуществления «напрямую»). С другими галогенами хлор образует межгалогенные соединения, например, очень сильные окислители — фториды ClF, ClF3, ClF5. Окислительная способность хлора выше, чем брома, поэтому хлор вытесняет бромид-ион из растворов бромидов, например:
Cl2 + 2NaBr = Br2 + 2NaCl
Хлор вступает в реакции замещения со многими органическими соединениями, например, с метаном СН4 и бензолом С6Н6:
СН4+ Сl2 = СН3Сl + НСl или С6Н6 + Сl2 = С6Н5Сl + НСl.
Молекула хлора способна присоединятся по кратным связям (двойным и тройным) к органическим соединениям, например, к этилену С2Н4:
С2Н4 + Сl2 = СН2СlСН2Сl.
Хлор вступает во взаимодействие с водными растворами щелочей. Если реакция протекает при комнатной температуре, то образуются хлорид (например, хлорид калия КCl) и гипохлорит (например, гипохлорит калия КClО):
Cl2 + 2КОН = КClО + КСl +Н2О.
При взаимодействии хлора с горячим (температура около 70-80°C) раствором щелочи образуется соответствующий хлорид и хлорат, например:
3Сl2+ 6КОН= 5КСl + КСlО3+ 3Н2О.
При взаимодействии хлора с влажной кашицей из гидроксида кальция Са(ОН)2 образуется хлорная известь («хлорка») СаСlОСl.
Степени окисления хлора +1 отвечает слабая малоустойчивая хлорноватистая кислота НСlО. Ее соли — гипохлориты, например, NaClO — гипохлорит натрия. Гипохлориты — сильнейшие окислители, широко используются как отбеливающие и дезинфицирующие агенты. При взаимодействии гипохлоритов, в частности, хлорной извести, с углекислым газом СО2 образуется среди других продуктов летучая хлорноватистая кислота, которая может разлагаться с выделением оксида хлора (I) Сl2О:
2НСlО = Сl2О + Н2О.
Именно запах этого газа Сl2О — характерный запах «хлорки».
Степени окисления хлора +3 отвечает малоустойчивая кислота средней силы НСlО2. Эту кислоту называют хлористой, ее соли — хлориты, например, NaClO2 — хлорит натрия.
Степени окисления хлора +4 соответствует только одно соединение — диоксид хлора СlО2.
Степени окисления хлора +5 отвечает сильная, устойчивая только в водных растворах при концентрации ниже 40%, хлорноватая кислота НСlО3. Ее соли — хлораты, например, хлорат калия КСlО3.
Степени окисления хлора +6 соответствует только одно соединение — триоксид хлора СlО3 (существует в виде димера Сl2О6).
Степени окисления хлора +7 отвечает очень сильная и довольно устойчивая хлорная кислота НСlО4. Ее соли — перхлораты, например, перхлорат аммония NH4ClO4 или перхлорат калия КСlО4. Следует отметить, что перхлораты тяжелых щелочных металлов — калия, и особенно рубидия и цезия мало растворимы в воде. Оксид, соответствующий степени окисления хлора +7 — Сl2О7.
Среди соединений, содержащих хлор в положительных степенях окисления, наиболее сильными окислительными свойствами обладают гипохлориты. Для перхлоратов окислительные свойства нехарактерны.
Применение
Хлор — один из важнейших продуктов химической промышленности. Его мировое производство составляет десятки миллионов тонн в год. Хлор используют для получения дезинфицирующих и отбеливающих средств (гипохлорита натрия, хлорной извести и других), соляной кислоты, хлоридов многих металлов и неметаллов, многих пластмасс (поливинилхлорида и других), хлорсодержащих растворителей (дихлорэтана СН2СlСН2Сl, четыреххлористого углерода ССl4 и др.), для вскрытия руд, разделения и очистки металлов и т.д. Хлор применяют для обеззараживания воды (хлорирования ) и для многих других целей.
Биологическая роль
Хлор относится к важнейшим биогенным элементам и входит в состав всех живых организмов. Некоторые растения, так называемые галофиты, не только способны расти на сильно засоленных почвах, но и накапливают в больших количествах хлориды. Известны микроорганизмы (галобактерии и др.) и животные, обитающие в условиях высокой солености среды. Хлор — один из основных элементов водно-солевого обмена животных и человека, определяющих физико-химические процессы в тканях организма. Он участвует в поддержании кислотно-щелочного равновесия в тканях, осморегуляции (хлор — основное осмотически активное вещество крови, лимфы и др. жидкостей тела), находясь, в основном, вне клеток. У растений хлор принимает участие в окислительных реакциях и фотосинтезе.
Мышечная ткань человека содержит 0,20-0,52% хлора, костная — 0,09%; в крови — 2,89 г/л. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) 95 г хлора. Ежедневно с пищей человек получает 3-6 г хлора, что с избытком покрывает потребность в этом элементе.
Особенности работы с хлором
Хлор — ядовитый удушливый газ, при попадании в легкие вызывает ожог легочной ткани, удушье. Раздражающее действие на дыхательные пути оказывает при концентрации в воздухе около 0,006 мг/л. Хлор был одним из первых химических отравляющих веществ, использованных Германией в Первую мировую войну. При работе с хлором следует пользоваться защитной спецодеждой, противогазом, перчатками. На короткое время защитить органы дыхания от попадания в них хлора можно тряпичной повязкой, смоченной раствором сульфита натрия Na2SO3 или тиосульфата натрия Na2S2O3. ПДК хлора в воздухе рабочих помещений 1 мг/м3, в воздухе населенных пунктов 0,03 мг/м3.
Таблица Менделеева

С. С. Бердоносов, П. С. Бердоносов

Элемент периодической системы
Железо

ЖЕЛ˜ЕЗО (лат. Ferrum), Fe (читается «феррум»), химический элемент, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Происхождение как латинского, так и русского названий элемента однозначно не установлено. Природное железо представляет собой смесь четырех нуклидов с массовыми числами 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3 s 2 p 6 d 6 4s 2. Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.
В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят также кобальт и никель. Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.
Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe2+ — 0,080 нм, иона Fe3+ — 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1,8.
Железо высокой чистоты — это блестящий серебристо-серый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механической обработки.
Нахождение в природе
В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1% массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красные железняки (руда гематит, Fe2O3; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe3О4; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO2· nH2O), а также шпатовые железняки (руда сидерит, карбонат железа, FeСО3; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита FeS2 (другие названия — серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10-5—1·10-8% железа.
История получения железа
Железо играло и играет исключительную роль в материальной истории человечества. Первое металлическое железо, попавшее в руки человека, имело, вероятно, метеоритное происхождение. Руды железа широко распространены и часто встречаются даже на поверхности Земли, но самородное железо на поверхности крайне редко. Вероятно, еще несколько тысяч лет назад человек заметил, что после горения костра в некоторых случаях наблюдается образование железа из тех кусков руды, которые случайно оказались в костре. При горении костра восстановление железа из руды происходит за счет реакции руды как непосредственно с углем, так и с образующимся при горении оксидом углерода (II) СО. Возможность получения железа из руд существенно облегчило обнаружение того факта, что при нагревании руды с углем возникает металл, который далее можно дополнительно очистить при ковке. Получение железа из руды с помощью сыродутного процесса было изобретено в Западной Азии во 2-м тыс. до н. э. Период с 9 по 7 в. до н. э., когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил название железного века, пришедшего на смену бронзовому веку. Усовершенствование способов дутья (естественную тягу сменили меха) и увеличение высоты горна (появились низкошахтные печи — домницы) привело к получению чугуна, который стали широко выплавлять в Западной Европе с 14 века. Полученный чугун переделывали в сталь. С середины 18 века в доменном процессе вместо древесного угля начали использовать каменно-угольный кокс. В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства — домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.
Физические и химические свойства
При температурах от комнатной и до 917 °C, а также в интервале температур 1394-1535 °C существует a-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394 °C устойчиво b-Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769 °C (так называемая точка Кюри) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное a-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917 °C, рассматривают как g-модификацию железа, а b-Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535 °C), называют по традиции d-Fe (представления о существовании четырех модификаций железа — a, b, g и d— возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535 °C, температура кипения 2750 °C, плотность 7,87 г/см3. Стандартный потенциал пары Fe2+/Fe0 –0,447В, пары Fe3+/Fe2+ +0,771В.
При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe2О3·хН2О.
С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe2О3, при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe3О4. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.
Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl3. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr3. При нагревании FeСl3 и, особенно, FeBr3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe3I8.
При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe3N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe2P и Fe3P, с углеродом, образуя карбид Fe3C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.
При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава [Fe(-C5H5)2].
Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.
С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2
При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):
2Fe + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O
Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)2. Оксид железа (III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)2, основание Fe(ОН)3, которое реагирует с кислотами:
2Fe(ОН)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O
Гидроксид железа (III) Fe(ОН)3 проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:
Fe(ОН)3 + КОН = К[Fe(ОН)4]
Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа (III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)3.
Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:
Fe + 2FeCl3 = 3FeCl2
При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):
4FeCl2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)Cl2
Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа (II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2О.
Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2 — железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 — железоаммонийные квасцы и т. д.
При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) — ферраты, например, феррат (VI) калия K2FeO4. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).
Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe3+ с тиоцианат-ионами CNS-. При взаимодействии ионов Fe3+ с анионами CNS- образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)3. Другим реактивом на ионы Fe3+ служит гексацианоферрат (II) калия K4[Fe(CN)6] (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4- выпадает ярко-синий осадок.
Реактивом на ионы Fe2+ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6], ранее называвшийся красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]3- выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4-.
Сплавы железа с углеродом
Железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом — различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14 % по массе (обычно — на уровне 3,5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0,8-1 %).
Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию — нагреванию при температуре около 1000 °C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей — шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300 °C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe2O3 + 3CО = 2Fe + 3CO2
возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом и стекает вниз.
Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие — летку — и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун — это твердый раствор углерода в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.
Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.
Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.
Если содержание углерода в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).
Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод выгорает.
Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.
Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.
Применение железа, его сплавов и соединений
Чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа — чугун и сталь — составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.
Железо в организме
Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа — участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков — гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс — гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина, осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови — около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.
Таблица Менделеева
История человечества

С. С. Бердоносов, П. С. Бердоносов

Сайт управляется системой uCoz