Щелочноземельные металлы
Бериллий
Элементы второй группы имеют историческое название «щелочноземельные». Землями химики когда-то называли тугоплавкие, практически не растворимые в воде вещества, которые выделяли из минералов и горных пород. Какое-то время считалось, что это простые вещества, потом выяснили, что «земли» — это оксиды элементов. Но вы-делить из них металлы в чистом виде иногда удавалось лишь спустя многие десятилетия: так прочно они были связаны с кислородом. Первая же часть слова «щелочноземельные» связана с тем, что эти «земли» имели свойства щелочей — они реагировали с кислотами, давали мылкие на ощупь растворы, а при нагревании с жирами разлагали их. В чистом виде и по химическим свойствам элементы второй группы напоминают соседей по пер-вой группе, но отличаются намного меньшей активностью. Они тоже реагируют с водой с выделением водорода, но намного медленнее.
Бериллий был открыт (в виде оксида) в 1798 г. французским химиком Луи Никола Вокленом (1763—1829) при анализе минерала берилла — сложного алюмосиликата. Такой же состав имеют изумруд и аквамарин (цвет у драгоценных камней возникает из-за примесей других элементов). Название минерала берилла (по-гречески berillos) восходит к названию города Белур (Вел-луру) в Южной Индии, недалеко от Мадраса; с древних времен в Индии были известны месторождения изумрудов.
Более простой состав у золотистого минерала хризоберилла — алюмината бериллия (по-гречески chrysos — золото). Соли бериллия оказались сладкими (тогда не знали об их ядовитости), поэтому новый элемент называли также глицинием, от греч. glykys — сладкий.
Бериллий обладает редчайшим сочетанием легкости и высокой температуры плавления. Он на 50% более упругий, чем сталь, и при этом в четыре раза легче. Такое сочетание незаменимо для космической промышленности. Из бериллия и его сплавов делают платформы спутников, зеркала космических телескопов: бериллий можно отполировать до блеска.
Мировое производство бериллия в 2012 г. составило 230 тонн. В основном он идет на производство бериллиевой бронзы — сплава с медью, содержащем до 3% бериллия. Она упругая и износостойкая, из нее получаются прекрасные пружины. Сталь с добавками бериллия не дает при ударе искры, из нее делают инструменты для работы в пожаро- и взрывоопасной атмосфере. В отличие от других металлов, пластинки из бериллия свободно пропускают рентгеновское излучение. При этом они хорошо отражают также инфракрасные лучи.
Бериллий — один из элементов, без которых невозможны высокие технологии. Вот один пример. Для анализа продуктов столкновения протонов в Большом адронном коллайдере их нужно вывести из основной камеры через коническую трубу. Лучшим материалом для нее оказался бериллий. Из него российские металлурги сделали то, что не могли сделать в других странах: в Женеву были отправлены конические и одновременно идеально прямые трубы длиной от 2 до 4 метров с тонкими стенками — от 1,4 до 2,4 мм. Такую трубу легко поднимает один Бериллий токсичен, обладает аллергическим и канцерогенным действием. Вдыхание пыли, содержащей частицы металла и его соединений, приводит к заболеванию легких — бериллиозу. Содержание бериллия в организме среднего человека — сотые доли миллиграмма.
Магний
В 1695 г. из минеральной воды Эпсомского источника в Англии выделили соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием. Аптекари называли ее горькой, английской или эпсомской солью. Это вещество встречается в виде минерала эпсомита; по составу это водный сульфат магния. Химики, действуя на растворы этой соли содой или поташом, получили белый осадок — основной карбонат магния. С древних времен была известна белая магнезия (magnesia alba) — оксид магния.
Термин «магнезия» произошел от названия древнего города Магнесии. Лавуазье считал белую магнезию простым телом. И только в 1808 г. английский химик Г. Дэви доказал, что магнезия — сложное вещество, и вы-делил из него простое вещество — металлический магний. Для этого использовал электролиз слегка увлажненной белой магнезии с ртутным катодом и в результате получил амальгаму магния, содержащую 3% ртути. Чистый металл получил в 1829 г. французский химик Антуан Бюсси (1794–1882).
Новый металл Дэви назвал магнезием. С тех пор в большинстве европейских языков этот элемент называется magnesium или (в испанском и итальянском) magnesio. И толь-ко в русском — магнием; так его назвал родившийся в Швейцарии русский химик Герман Иванович (Жермен Анри) Гесс (1839—1903).
Магний — распространенный в земной коре элемент. Он входит в состав десятков минералов, в числе которых асбест, бишофит, доломит, нефрит, тальк, хризолит. Магния много в морской воде: в каждом кубическом метре — больше 1 кг магния. Магний получают электролизом хлорида магния и применяют в основном в производстве легких сплавов в авиа- и автомобилестроении. За последнее десятилетие мировое производство магния утроилось; в 2012 г. его было получено 750 тысяч тонн, причем 90% — в Китае.
Тонкая магниевая фольга или порошок вспыхивает и быстро сгорает ослепительно ярким пламенем. Это свойство использовали на заре фотографии: порошок магния поджигали электрической искрой. И сейчас горение магния применяют в фейерверках, а также для изготовления осветительных и сигнальных ракет. Горящий магний очень трудно погасить: он реагирует с углекислым газом и горит даже под водой. Магний — важный элемент для всех живых существ. Его ионы участвуют во многих важных ферментативных реакциях в организме человека; они необходимы для формирования костей, регуляции работы нервной ткани, участвуют в солевом балансе, в синтезе белка.
В теле среднего человека около 25 г магния. Человек каждый день должен получать 0,3 — 0,4 г магния в виде его растворимых солей.
Кальций
Римляне словом calx (род. падеж calcis) называли все мягкие камни, чаще всего это был известняк. Заимствовали они это слово из греческого (chalix — мелкий камень, галька, а в новогреческом chaliki — щебень). Со временем на-звание calx закрепилось только за известняком (недаром мел по-английски — chalk). Это же слово в древности использовали для извести — продукта обжига карбоната кальция. В связи с этим интересно название старинной улицы в Риге — Калькю, известной с 1404 г. Как сообщил автору много лет назад один из рижских старожилов, эта улица (с 1950 г. она носила имя Ленина) раньше называлась Kaļķu iela, по-латышски — «известковая улица». Он пояснил, что когда-то здесь была печь, в которой обжигали известь. В 1990 г. улице вернули ее прежнее название. Впервые металлический кальций получил Г. Дэви в 1808 г. электролизом влажной гашеной извести; он же дал название новому элементу.
Алхимики кальцинацией называли сам процесс обжига. Отсюда кальцинированная сода — безводный карбонат натрия, получающийся при прокаливании соды. Любопытно родство кальция с калькулятором: у римлян calculus (уменьшительное от calx) — мелкий камешек, галька. Такие камешки использовали для простых расчетов. Отсюда calculatio — вычисление, счет, calculator — счетовод, счетчик, бухгалтер, а также преподаватель арифметики. Все эти латинские слова оставили след в европейских языках. Так, по-английски calx — окалина, зола, а также известь; calculus — камень в почках, мочевом пузыре, а также исчисление (дифференциальное и интегральное) в высшей математике; calculate — вычислять, рассчитывать. По-немецки Kalk — известь, известка, kalkig — бледный как мел, а также выпачканный известью, Kalkül — вычисление, счет, а также смета (в немецко-русском химическом словаре приведено около 70 слов и выражений, начинающихся с Kalk). В современном итальянском языке, который ближе всех к латинскому, calcolo — это и вычисление, и камень. Так что кальций и калькулятор — начинающихся с Kalk!). В современном итальянском языке, который ближе всех к латинскому, calcolo — это и вычисление, и камень. Так что кальций и калькулятор — родственники, хотя и далекие. В земной коре по распространенности кальций занимает пятое место. В природе он находится в основном в виде карбоната: кальцит (известняк), мел, мрамор.
Эти минералы образовались из остатков раковин морских организмов. В литре морской воды содержится около 0,4 г кальция. Из карбоната кальция в основном построена скор-лупа птичьих яиц.
Прозрачные кристаллы кальцита (исландского шпата) давно привлекали внимание своим необычным свойством — «раздваивать» изображения. В науке такое свойство называется двойным лучепреломлением; его объяснение в начале XIX века было важным этапом для понимания волновой природы света.
Кальций входит в состав многих других минералов, среди которых гипс (сульфат кальция), доломит (смешанный карбонат кальция и магния), флюорит (фторид кальция). С древних времен использовали гашеную известь (гидроксид кальция) — прекрасное связующее при постройке зданий. Известковый раствор поглощает из воздуха углекислый газ и твердеет. Ежегодная добыча карбоната кальция исчисляется миллиардами тонн. В виде тонкого порошка мел входит в состав кремов и зубных паст, косметики, используется как наполнитель в производстве бумаги, пластмасс, резины, красок. Карбонат кальция используется в производстве стекла, для побелки жилищ, окраски стволов деревьев, вносится в почву при избытке в ней кислоты. Металлический кальций используют для восстановления некоторых металлов.
Ионы кальция активируют деятельность ряда важных ферментов, активно влияют на нервно-мышечную и сердечно-сосудистую системы. Например, сердце лягушки, омываемое раствором хлорида калия, резко ослабляет свою деятельность, а при введении в раствор хлорида кальция происходит резкое усиление пульсации. Хлорид кальция применяется в медицине для лечения ряда заболеваний.
В среднем человеке примерно 1,2 кг кальция, почти весь он находится в костях в виде фосфата кальция. Человек получает кальций с молоком, творогом, овощами. Однако кальций в овощах находится в виде нерастворимого оксалата, который не усваивается. Для того чтобы ионы кальция всосались из кишечника в кровь, необходим витамин D. Вот почему при недостатке этого витамина развивается рахит — даже при избытке кальция в пище.
Стронций
Впервые стронций обнаружили в минерале стронцианите (карбонате стронция), найденном в 1764 г. в свинцовом руднике близ шотландской деревни Стронциан. Через четверть века ирландский химик Адер Кроуфорд (1748—1795), изучив этот минерал, высказал мнение, что в нем содержится не известный науке элемент. Это подтвердил в 1808 г. Г. Дэви, выделив его электролизом. Стронций — серебристо-белый металл. Он мягче кальция, плавится при более низкой температуре. По химическим свойствам он очень похож на кальций и всюду сопровождает его: в минералах, костях, зубной эмали. Стронций нетоксичен; содержание его в организме среднего человека около 0,3 г. Природный стронций представлен четырьмя стабильными изотопами, известно также более 30 радиоактивных изотопов стронция с периодами полураспада от миллиардных долей секунды до почти 29 лет для 90Sr. Поэтому, если вместе со стабильным стронцием в организм попадет этот радионуклид, он внедряется в костную ткань, и «изгнать» его оттуда практически невозможно. Реклама чудодейственных средств, «выводящих из организма все радионуклиды», — обман.
Длительное облучение может привести к раку костного мозга и лучевой болезни. По активности 1 г 90Sr соответствует 137 г радия! Даже через 100 лет остается 10% от активности 90Sr. А чтобы она снизилась почти до нуля, должно пройти несколько тысяч лет. Этот опаснейший радионуклид в больших количествах попал в атмосферу при испытаниях ядерного оружия. Поэтому больше всего стронция-90 в костях людей, родившихся в период 1945—1980 гг., когда было проведено больше всего ядерных взрывов в атмосфере.
В больших количествах оксид стронция раньше использовали для получения стекла, из которого делали электроннолучевые трубки. Раньше такие трубки имели все телевизоры, мониторы и осциллографы в лабораториях: стронций не пропускал наружу рентгеновские лучи (они возникают в месте удара электронного луча о стекло). В пиротехнических составах соли стронция окрашивают пламя в карминово-красный цвет.
Образуется 90Sr и во время работы ядерного реактора, поэтому присутствует в отработанном топливе. Во время чернобыльской аварии в атмосферу попало примерно 1,6 кг 90Sr.
Барий
В 1774 г. шведские химики Карл Вильгельм Шееле (1742—1786) и Юхан Готлиб Ган (1745—1818) выделили из минерала тяжелого шпата (сульфата бария) новую «землю», которую назвали баритом (сейчас барит — синоним тяжелого шпата); по-гречески baros — тяжесть: эта «земля» более чем вдвое тяжелее кварца. Когда в 1808 г. из этой «земли» (оксида бария) с помощью электролиза Г. Дэви выделил новый металл, он назвал его барием. Барий — активный металл, на воздухе быстро покрывается коркой продуктов реакций с кислородом, азотом и углекислым газом. При нагревании загорается, с водой энергично реагирует с выделением водорода. Продукт этой реакции, гидроксид бария, — сильная щелочь. Минерал барит добывают миллионами тонн ежегодно. Он нужен для производства белых красок, пластмасс, его добавляют в раствор для бурения нефтяных скважин.
Сульфат бария — основа «бариевой каши», которую дают пациенту, чтобы исследовать его пищеварительный тракт с помощью рентгена: барий — тяжелый металл и потому задерживает рентгеновские лучи. И хотя барий ядовит, его сульфат практически не растворяется в воде и соляной кислоте в желудке и потому не представляет опасности.
Для получения металлического бария барит превращают в хлорид, который подвергают электролизу. Металлический барий применяют для создания высокого вакуума (он связывает остатки кислорода и азота). Раскаленные соли бария светятся красивым зеленым светом, что используют в фейерверках.
Оксид бария при нагреве испускает электроны, поэтому он в больших количествах использовался для покрытия катодов в радиолампах и электронно-лучевых трубках.
Барий является компонентом керамики, которая становится сверхпроводником при температуре жидкого азота и выше.
Содержание бария в организме среднего человека — около 20 мг, токсическая доза — 0,2 г, смертельная — от 1 до 3 г.
Радий
«Несомненно, что в радии научный интерес громаден и его открытие принадлежит к числу очень важных.»
Д. И. Менделеев. Основы химии.
Название этого элемента происходит от латинских слов radius — луч, radiare — испускать лучи. Этим названием открывшие радий Мария Кюри (1867—1934) и Пьер Кюри (1859—1906) обозначили его способность излучать невидимые частицы. Того же происхождения слова «радио», «радиация» и многие их производные. Радий сильно радиоактивен, 1 г чистого 226Ra испускает в секунду более 36 миллиардов альфа-частиц. Это показали в 1908 г. Э. Резерфорд и его стажер из Германии Ханс Гейгер (1882—1945), именем которого назван счетчик радиоактивного излучения.
Самый долгоживущий изотоп радия, 226Ra, — продукт медленного распада урана и потому содержится во всех рудах, содержащих уран (на каждую тонну чистого урана приходится 0,34 г радия). Приходится лишь поражаться трудолюбию Марии Кюри, которая, переработав тонны руды, в 1898 г. выделила несколько десятков миллиграммов нового элемента. Металлический радий впервые выделили в 1910 г. М. Кюри и французский физик и химик Андре Луи Дебьерн (1874—1949).
Чистый радий — блестящий серебристо-белый металл, быстро тускнеющий на воз-духе. С водой реагирует, выделяя водород. Любые физические и химические свойства радия изучать трудно из-за его очень высокой радиоактивности. Из-за нее радий и его соединения светятся в темноте, а его бесцветные соли быстро желтеют, приобретая темную окраску; водные растворы соединений радия разлагают воду, выделяя из нее водород и кислород. Радий непрерывно выделяет теплоту, и если нет условий для теплоотвода, металл быстро нагревается и может даже расплавиться.
Радий — химический аналог кальция, поэтому при попадании в организм он накапливается в костях. Это может привести к злокачественным опухолям.
Когда выяснилась возможность использования радия в медицине, в мире развернулась настоящая «радиевая лихорадка». Было время, когда радий стоил в 160 тысяч раз дороже золота! Только в США с 1913 по 1923 г. было получено 196 г радия. А в Бельгии из руды, привезенной из Бельгийского Конго за 10 лет, было выделено 326 г радия! В настоящее время радия накоплено около 3 кг, и больше его практически не до-бывают. Радий находит лишь ограниченное применение, например как источник радона — газообразного радиоактивного продукта распада радия — для приготовления радоновых ванн.
Спасибо за доступно изложенный материал, все разложил по полочкам и, наконец, понял. Надеюсь, эта тема теперь навсегда отложится в мозгу.
Спасибо большое! Учителя в школе так не расскажут, к сожалению… И картинок таких интересных у них тоже нет. Мне понравилось. Написано очень понятно. Еще раз — спасибо!
Очень хороший сайт. Вся информация на сайте доступно изложена. Удобно готовиться к экзаменам.
В нашем мире на самом деле не так все и просто, как кажется, спасибо автору, узнал много нового.
Ого, столько нового узнал чего в школе никогда не рассказывали. Полезный сайт, очень интересный, добавлю в закладки.
Даже не предполагал, что сталь с добавками бериллия не дает искры. Думал, что кроме обмедненного металла больше ничего не применяется. Спасибо статье.
К своему стыду не имел понятия, что у стронция есть стабильные изотопы. Абсолютно был уверен, что является он продуктом термоядерной реакции с периодом полураспада около 100 лет.