Реферат: Химические элементы

С иодом знакомы все. Порезав палец, мы тянемся к склянке с иодом, точнее с его спиртовым раствором... Тем не менее этот элемент в высшей степени своеобразен и каждому из нас, независимо от образования и профессии, приходится открывать его для себя заново не один раз. Своеобразна и история этого элемента.

Первое знакомство

Иод был открыт в 1811 г. французским химиком-технологом Бернаром Куртуа (1777...1838), сыном известного селитровара. В годы Великой французской революции он уже помогал отцу «извлекать из недр земли основной элемент оружия для поражения тиранов»*, а позже занялся селитроварением самостоятельно.

* Цитируется один из циркуляров того времени. Целиком цитируемая фраза переводится так: «Те, кто пренебрег бы обязанностью извлекать из недр земли основной элемент оружия для поражения тиранов, были бы подлецами или контрреволюционерами». Элементом (не в химическом смысле, разумеется) здесь названа селитра KNO₃ , доля которой в составе черного пороха – 75%. Остальное – уголь и сера поровну.

В то время селитру получали в так называемых селитряницах, или буртах. Это были кучи, сложенные из растительных и животных отбросов, перемешанных со строительным мусором, известняком, мергелем. Образовавшийся при гниении аммиак окислялся микроорганизмами сперва в азотистую HNO₂ , а затем в азотную HNO₃ кислоту, которая реагировала с углекислым кальцием, превращая его в нитрат Ca(NO₃ )₂ . Его извлекали из смеси горячей водой, а после добавляли поташ. Шла реакция:

Ca(NO₃ )₂ + K₂ CO₃ → 2KNO₃ + CaCO₃ ↓.

Раствор нитрата калия сливали с осадка и упаривали. Полученные кристаллы калиевой селитры очищали дополнительной перекристаллизацией.

Куртуа не был простым ремесленником. Проработав три года в аптеке, он получил разрешение слушать лекции по химии и заниматься в лаборатории Политехнической школы в Париже у знаменитого Фуркруа. Свои познания он приложил к изучению золы морских водорослей, из которой тогда добывали соду. Куртуа заметил, что медный котел, в котором выпаривались зольные растворы, разрушается слишком быстро. В маточном растворе после упаривания и осаждения кристаллических сульфатов натрия и калия оставались их сульфиды и, видимо, что-то еще. Добавив к раствору концентрированной серной кислоты, Куртуа обнаружил выделение фиолетовых паров. Не исключено, что нечто подобное наблюдали коллеги и современники Куртуа, по именно он первым перешел от наблюдений к исследованиям, от исследований – к выводам.

Вот эти выводы (цитируем статью, написанную Куртуа): «В маточном растворе щелока, полученного из водорослей, содержится достаточно большое количество необычного и любопытного вещества. Его легко выделить. Для этого достаточно прилить серную кислоту к маточному раствору и нагреть его в реторте, соединенной с приемником. Новое вещество... осаждается в виде черного порошка, превращающегося при нагревании в пары великолепного фиолетового цвета. Эти пары конденсируются в форме блестящих кристаллических пластинок, имеющих блеск, сходный с блеском кристаллического сульфида свинца... Удивительная окраска паров нового вещества позволяет отличить его от всех доныне известных веществ, и у него наблюдаются другие замечательные свойства, что придает его открытию величайший интерес».

В 1813 г. появилась первая научная публикация об этом веществе, его стали изучать химики разных стран, в том числе такие светила науки, как Жозеф Гей-Люссак и Хэмфри Дэви. Год спустя эти ученые установили элементарность вещества, открытого Куртуа, и Гей-Люссак назвал новый элемент иодом – от греческого ιοειδης – темно-синий, фиолетовый.

Второе знакомство: свойства обычные и необычные

Иод – химический элемент VII группы периодической системы. Атомный номер – 53. Атомная масса – 126,9044. Галоген. Из имеющихся в природе галогенов – самый тяжелый, если, конечно, не считать радиоактивный короткоживущий астат. Практически весь природный иод состоит из атомов одного-единственного изотопа с массовым числом 127. Радиоактивный иод-125 образуется в результате спонтанного деления урана. Из искусственных изотопов иода важнейшие – иод-131 и иод-133; их используют в медицине.

Молекула элементарного иода, как и у прочих галогенов, состоит из двух атомов. Иод – единственный из галогенов – находится в твердом состоянии при нормальных условиях. Красивые темно-синие кристаллы иода больше всего похожи на графит. Отчетливо выраженное кристаллическое строение, способность проводить электрический ток – все эти «металлические» свойства характерны для чистого иода.

Но, в отличие от графита и большинства металлов, иод очень легко переходит в газообразное состояние. Превратить иод в пар легче даже, чем в жидкость.

Чтобы расплавить иод, нужна довольно низкая температура: +113,5°C, но, кроме того, нужно, чтобы парциальное давление паров иода над плавящимися кристаллами было не меньше одной атмосферы. Иными словами, в узкогорлой колбе иод расплавить можно, а в открытой лабораторной чашке – нельзя. В этом случае пары иода не накапливаются, и при нагревании иод возгонится – перейдет в газообразное состояние, минуя жидкое, что обычно и происходит при нагревании этого вещества. Кстати, температура кипения иода ненамного больше температуры плавления, она равна всего 184,35°C.

Но не только простотой перевода в газообразное состояние выделяется иод среди прочих элементов. Очень своеобразно, например, его взаимодействие с водой.

Элементарный иод в воде растворяется неважно: при 25°C лишь 0,3395 г/л. Тем не менее можно получить значительно более концентрированный водный раствор элемента №53, воспользовавшись тем же нехитрым приемом, который применяют медики, когда им нужно сохранить подольше иодную настойку (3- или 5%-ный раствор иода в спирте): чтобы иодная настойка не выдыхалась, в нее добавляют немного иодистого калия KI. Это же вещество помогает получать и богатые иодом водные растворы: иод смешивают с не слишком разбавленным раствором иодистого калия.

Молекулы KI способны присоединять молекулы элементарного иода. Если с каждой стороны в реакцию вступает по одной молекуле, образуется красно-бурый трииодид калия. Иодистый калий может присоединить и большее число молекул иода, в итоге получаются соединения различного состава вплоть до KI₉ . Эти вещества называют полииодидами. Полииодиды нестойки, и в их растворе всегда есть элементарный иод, причем в значительно большей концентрации, чем та, которую можно получить прямым растворением иода.

Во многих органических растворителях – сероуглероде, керосине, спирте, бензоле, эфире, хлороформе – иод растворяется легко. Окраска неводных растворов иода не отличается постоянством. Например, раствор его в сероуглероде – фиолетовый, а в спирте – бурый. Чем это объяснить?

Очевидно, фиолетовые растворы содержат иод в виде молекул I₂ . Если же получился раствор другого цвета, логично предположить существование в нем соединений иода с растворителем. Однако не все химики разделяют эту точку зрения. Часть их считает, что различия в окраске иодных растворов объясняются существованием разного рода сил, соединяющих молекулы растворителя и растворенного вещества.

Фиолетовые растворы иода проводят электричество, так как в растворе молекулы I₂ частично диссоциируют на ионы I⁺ и I^– . Такое предположение не противоречит представлениям о возможных валентностях иода. Главные валентности его: 1^– (такие соединения называют иодидами), 5⁺ (иодаты) и 7⁺ (периодаты). Но известны также соединения иода, в которых он проявляет валентности 1+ и 3+, играя при этом роль одновалентного или трехвалентного металла. Есть соединение иода с кислородом, в котором элемент №53 восьмивалентен, – IO₄ .

Но чаще всего иод, как и положено галогену (на внешней оболочке атома семь электронов), проявляет валентность 1^– . Как и другие галогены, он достаточно активен – непосредственно реагирует с большинством металлов (даже благородное серебро устойчиво к действию иода лишь при температуре до 50°C), но уступает хлору и брому, не говоря уже о фторе. Некоторые элементы – углерод, азот, кислород, сера, селен – в непосредственную реакцию с иодом не вступают.

Третье знакомство: оказывается, иода на Земле меньше, чем лютеция

Иод – элемент достаточно редкий. Его кларк (содержание в земной коре в весовых процентах) – всего 4·10^–5 %. Его меньше, чем самых труднодоступных элементов семейства лантаноидов – тулия и лютеция.

Есть у иода одна особенность, роднящая его с «редкими землями», – крайняя рассеянность в природе. Будучи далеко не самым распространенным элементом, иод присутствует буквально везде. Даже в сверхчистых, казалось бы, кристаллах горного хрусталя находят микропримеси иода. В прозрачных кальцитах содержание элемента №53 достигает 5·10^–6 %. Иод есть в почве, в морской и речной воде, в растительных клетках и организмах животных. А вот минералов, богатых иодом, очень мало. Наиболее известный из них – лаутарит Ca(IO₃ )₂ . Но промышленных месторождений лаутарита на Земле нет.

Чтобы получить иод, приходится концентрировать природные растворы, содержащие этот элемент, например воду соленых озер или попутные нефтяные воды, пли перерабатывать природные концентраторы иода – морские водоросли. В тонне высушенной морской капусты (ламинарии) содержится до 5 кг иода, в то время как в тонне морской воды его всего лишь 20...30 мг.

Как и большинство жизненно важных элементов, иод в природе совершает круговорот. Поскольку многие соединения иода хорошо растворяются в воде, иод выщелачивается из магматических пород, выносится в моря и океаны. Морская вода, испаряясь, подымает в воздух массы элементарного иода. Именно элементарного: соединения элемента №53 в присутствии углекислого газа легко окисляются кислородом до I₂ .

Ветры, переносящие воздушные массы с океана на материк, переносят и иод, который вместе с атмосферными осадками выпадает на землю, попадает в почву, грунтовые воды, в живые организмы. Последние концентрируют иод, но, отмирая, возвращают его в почву, откуда он снова вымывается природными водами, попадает в океан, испаряется, и все начинается заново. Это лишь общая схема, в которой опущены все частности и химические преобразования, неизбежные на разных этапах этого вечного коловращения.

А изучен круговорот иода очень хорошо, и это не удивительно: слишком велика роль микроколичеств этого элемента в жизни растений, животных, человека...

Четвертое знакомство: биологические функции иода

Они не ограничиваются иодной настойкой. Не будем подробно говорить о роли иода в жизни растений – он один из важнейших микроэлементов, ограничимся его ролью в жизни человека.

Еще в 1854 г. француз Шатен – превосходный химик-аналитик – обнаружил, что распространенность заболевания зобом находится в прямой зависимости от содержания иода в воздухе, почве, потребляемой людьми пище. Коллеги опротестовали выводы Шатена; более того, Французская академия наук признала их вредными. Что же касается происхождения болезни, то тогда считали, что ее могут вызвать 42 причины – недостаток иода в этом перечне не фигурировал.

Прошло почти полстолетия, прежде чем авторитет немецких ученых Баумана и Освальда заставил французских ученых признать ошибку. Опыты Баумана и Освальда показали, что щитовидная железа содержит поразительно много иода и вырабатывает иодсодержащне гормоны. Недостаток иода вначале приводит лишь к небольшому увеличению щитовидной железы, но, прогрессируя, эта болезнь – эндемический зоб – поражает многие системы организма. В результате нарушается обмен веществ, замедляется рост. В отдельных случаях эндемический зоб может привести к глухоте, к кретинизму... Эта болезнь больше распространена в горных районах и в местах, сильно удаленных от моря.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--