Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

10. Неон

Название этого элемента давно стало именем нарицательным, обозначающим способность просто светиться: «Неоновые огни реклам», «У мене внутре… гм… не… неонка», «Это бит вечерних авто, это бит ночного метро, это бит неоновых фонарей». Список можно продолжать. Боле ста лет назад, в 1910 году была сконструирована первая газоразрядная лампа, заполненная неоном, и вскоре огни различных ламп, работающих по одинаковому принципу и объединенные общим названием «неоновые» проникли в язык и культуру.

Будем откровенны – во многих «неоновых лампах» неона вообще нет. Неоном заполнена только газоразрядная лампа, дающая красный цвет. Остальные 150 цветов, которыми могут светить «неоновые» лампы получают, заполняя их аргоном или ксеноном, парами ртути и люминофором в различных соотношениях и при разном давлении. Но именно то красное свечение и объявило миру об открытии нового элемента.

Первым инертным газом, который был открыт на Земле, был аргон – он был выделен в 1894 году, в 1895 был получен первый «земной» образец гелия, и оказалось, что «солнечный металл» – совсем не металл (см. главу 2). В какой-то момент Сэр Уильям Рамзай осознал, что, если взглянуть на его находки через призму Периодического закона коллеги Менделеева, получается, что он нашел первый и третий химический элементы новой группы. Чтобы доказать обнаружение нового класса химических элементов, попутно подтвердив всесильность и верность Периодического закона Рамзаю нужно было заполнить пустоту между гелием и аргоном.

В 1898 году Рамзай с Моррисом Траверсом поставили удачный эксперимент – они позволили твёрдому аргону, окружённому сжиженным воздухом, медленно испаряться при пониженном давлении, отбирая фракцию, первой переходящую в газообразное состояние. Отобранную фракцию поместили в атомный спектрометр, и, как записал в дневнике Траверс: «… малиновое свечение в трубке рассказывало свою собственную историю, оно было зрелищем, от которого было сложно оторваться…».

Популярный русскоязычный анекдот говорит, что Рамзай тут же телефонировал своему коллеге, лорду Рэлею, и между ними произошёл следующий диалог:

– А мы тут с Траверсом новый инертный газ открыли…

– Опять аргон, наверное?

– Нет, не он!

Естественно, такого не было, но реальная история получения элементом № 10 имени не менее анекдотично. Тринадцатилетний сын Рамзая предложил назвать новый газ «новумом» (от латинского – новый). Рамзай-папа одобрил идею Рамзая-сына, но решил, что греческое слово «неон» будет благозвучнее. Так, новый элемент занял свое временное положение в Периодической системе (первоначально инертные газы, как элементы, проявляющие «нулевую» валентность, были поставлены в нулевую группу таблицы Менделеева), а Рамзай в 1904 году получил Нобелевскую премию по химии.

Первоначально неон и другие инертные газы казались «неведомыми зверушками» Периодической системы – их инертность не давала возможности учёным представить, где же их можно применять. Потребовалось воображение французского химика, инженера и изобретателя Жоржа Клода, который первым догадался посмотреть, что произойдет, если пропускать электрический разряд через неон, находящийся в запаянной стеклянной трубке. Появлявшееся при пропускании тока красное свечение натолкнуло Клода на мысль создать источник света, альтернативный лампам накаливания. Он изготовил несколько таких лама (сейчас мы называем их газоразрядными) и впервые продемонстрировал их на Технической выставке в Париже 11 декабря 1910 года. Демонстрация поразила зрителей, но ни один из них не приобрел ни одной лампы – освещать свои дома красным светом люди не были готовы. Однако неудача с быстрой коммерциализацией новых ламп не обескуражила Клода – в 1915 году он запатентовал изобретение, а позже, пытаясь все же заработать на нём, понял, что с помощью стеклодува можно превратить трубки в буквы, которые будут светиться. Это предопределило применение неона – в 1923 году была организована компания Клод Неон, начавшая продажи неоновой рекламы в Соединённых штатах Первоначально неоновые лампы называли «жидкими огнями», а изготовленные из них вывески горели круглосуточно, завлекая любопытствующих прохожих. Неон получали фракционным сжижением воздуха, и нескольких тонн, ежегодно добываемых в 1920-е годы вполне хватало на нужды рекламы.

Неон не только заставил рекламу светить, он помог раскрыть секреты самого важного из источников света для нашей планеты – Солнца. В солнечном ветре (частицах, вырывающихся из Солнца и разлетающихся по Вселенной) содержится два изотопа неона – неон-20 и неон-22. Эти же изотопы находятся в лунных скальных породах, что, впрочем, неудивительно – миллиарды лет солнечный ветер «обдувал» наш естественный спутник, не имеющий защитной атмосферы, и частицы солнечного ветра попадали на Луну. Удивительно было другое – в глубине лунных пород соотношение ²²Ne/²⁰Ne было выше, чем у поверхности. Первоначально эти результаты интерпретировались тем, что когда-то Солнце было более активно, чем сейчас, выбрасывая частицы с большей энергией, которым удавалось «глубже зарыться» в породу. Однако изучение пробывшего в космосе два года металлического стекла – фрагмента потерпевшего в 2004 году крушение космического Genesis, заставило изменить предположение. Оказалось, что распределение изотопов неона в металлическом стекле такое же, как и в лунной породе – сверху больше легкого неона-20, в низлежащем слое – неона-22. Поскольку даже теоретически было сложно предположить существенное изменение солнечной активности за два года, не говоря уже про то, что слежение за Солнцем во время полёта Genesis говорило о том, что средняя активность нашего светила не менялась, объяснение различного изотопного содержания на разных глубинах стали объяснять явлением космической эрозии – удары микрометеоритов и других частиц просто способствуют удалению части неона с поверхности породы, так что поведение Солнца оказалось более предсказуемым. Жидкий неон также можно использовать в качестве охладителя в криогенных установках, смесь неона и гелия используют как рабочую среду в газовых лазерах, а также неоном разбавляют кислород для работающих на глубине водолазов для предотвращения ряда состояний, известных в общем случае как глубинные или кесонные болезни.

11. Натрий

Когда я был студентом, у нас была доставшаяся от предшественников традиция – в майские праздники нагружаться рюкзаками, палатками и спальниками, садится в поезд Казань-Йошкар-Ола и отправляться на 100 километров от Казани праздновать День Химика у марийской реки Юшута в месте, известном как «Большая химическая поляна».

Однажды, на рубеже восьмидесятых и девяностых годов прошлого века, когда старые запреты уходили в прошлое, а новые ещё не появлялись, к поляне, где уже разбили свой лагерь студенты, аспиранты и молодые преподаватели химфака Казанского университета, в сумерки пришвартовалось несколько байдарок, и высадившиеся из них в стиле викингов из современных сериалов бывалые туристы (тм) заявили, что это поляна их, и нам, туристам-салагам, стоит сняться с бивака и найти себе новое место. Нас было больше раза в три, уступать поляну мы не хотели, и в результате переговоров стороны решили, что «места всем хватит», и бывалые туристы уже начали разгружать свои суда. Именно тут у берега оказался наш профорг, который в момент переговоров ходил за валежником, и с криком: «Ну что, начинаем праздновать», – бросил что-то в воду. Сумерки марийской лесной реки озарились вспышками, вниз по течению поплыли ярко-жёлтые огоньки, которые не тушила вода, и в свете этих огней байдарки с туристами довольно резво поплыли вверх по течению – трюк, для исполнения которого на быстрых реках марийской тайги требуется хорошая физическая подготовка вкупе с резким выбросом адреналина. Так бывалые туристы (тм) познакомились с реакцией между натрием и водой. Дело в том, что традиционным ритуалом Дней химика в те времена было стравливание в речной воде кусочков натрия, оставшихся в лабораториях химфака после очистки растворителей и синтезов. Студенты и аспиранты начинали готовиться к этому «фейерверку» с сентября месяца, и чем выше было пламя, тем более удавшимся считался очередной День химика. От той же традиции и пошла кричалка: «Не хотите быть калекой? Киньте дальше натрий в реку».

Как это часто бывает в химии, металлический натрий опасен, если работать с ним без предосторожности, а его соединения есть на каждой кухне – ионы натрия являются важными для жизнедеятельности всех живых организмов. Высокая химическая активность натрия, в частности та самая его способность активно реагировать с водой и другими веществами приводит к тому, что в земной коре натрий встречается только в виде соединений и никогда – в свободном виде. Натрий достаточно распространён в Земной коре – он составляет 2.6 % от её массы. Наиболее распространёнными соединениями натрия в природе являются хлорид натрия (каменная или поваренная соль) и цеолиты.

Человечество давно применяет соединения натрия – во времена палеолита наши предки начали использовать каменную соль, не ставшую ещё поваренной (поваренное искусство еще не появилось), в качестве консерванта охотничьи трофеев. В Древнем Египте появляется первое письменное упоминание о производных натрия – появляется иероглиф, который читается как «натар» и обозначает смесь поваренной соли и кристаллической соды (десятиводного карбоната натрия Na₂CO₃×10H₂O). В Египте натар применялся как мыло, а также был обязательной частью составов для бальзамирования и мумификации – натар хорошо поглощает воду, а его щелочная среда позволяла истреблять бактерии. Нетрудно заметить, что международное латинское название натрия, равно как и современное его название в русском и ряде других языков восходит к древнеегипетскому термину. Английское название натрия – sodium, тоже имеет восточные корни, но уже арабские. В средневековой Европе карбонат натрия использовали для врачевания головной боли, это снадобье называлось «соданум», а этот термин, в свою очередь, происходил от арабского «суда» – головная боль. В нашем языке арабский корень остался в названиях различных форм карбонатов натрия – сод и даже натриевой щёлочи – каустической соды, хотя, конечно, в наши дни последнее название безнадёжно устарело. Именно при пропускании постоянного электрического тока через расплавленную каустическую соду сэр Хэмфри Дэви впервые выделил металлический натрий – расплавленной натриевой щёлочи (NaOH). Процесс разрушения веществ с помощью электрического тока получил название «электролиз», и Дэви с его помощью смог получить также и другие активные металлы – калий, кальций, магний и барий.

Металлический натрий, как и большинство металлов, серебристо-белый, его легко можно разрезать ножом или столь популярным в наших лабораториях скальпелем. Однако блестящим и серебристым натрий остается недолго – он быстро окисляется на воздухе и загорается при контакте с водой, ну а выделяющийся при этом водород, взрываясь, добавляет зрелищу красочности и звуковых эффектов. Способность натрия реагировать с водой применяется в лабораториях для очистки от воды некоторых органических растворителей, просто кипятя растворитель над кусочками натрия (главное, чтобы сам органический растворитель не реагировал с натрием, и воды в нём было не так уже много). Если мы очищаем от воды, например, бензол нам приходится нарезать кусочек натрия на тонкие-тонкие пластинки, а если толуол, такой необходимости нет. В чем причина? Металлический натрий «ловит» воду только поверхностью, а его шинковка увеличивает площадь поверхности, следовательно, увеличивая эффективность реакции. Однако, натрий очень легкоплавкий, его температура плавления равна +98 °C, то есть в растворителях с более высокой температурой кипения (у толуола температура кипения +110.6 °C) кусочки натрия все равно расплавятся и сольются в почти идеально шарообразную каплю натрия, рабочая поверхность которой постоянно будет очищаться. Как и другие свои родственники – щелочные металлы, натрий и его соединения можно определить по цвету пламени – при внесении соли натрия в бесцветное пламя газовой горелки пламя окрашивается в интенсивный жёлто-оранжевый цвет – в интернете можно найти немало красочных роликов-демонстраций на эту тему.

Натрий и его соединения применяются в столь разнообразных областях, что вряд ли можно перечислить их все даже в отдельной книге. Из наиболее интересных можно привести в пример применение натрия для охлаждения ядерных реакторов – он достаточно легко плавится, как и все металлы отличается хорошей теплопроводностью и, если вода закипает через два градуса после того, как натрий переходит в жидкое состояние, натрий начинает кипеть при температуре 883 °C, оставаясь жидким теплоносителем в широком интервале температур. Наш домашний реактор-лаборатория тоже не обходится без натрия – при готовке мы применяем пищевую соду или гидрокарбонат натрия. Очень часто мы используем это вещество для бездрожжевой выпечки – при 70 °C пищевая сода разлагается с выделением углекислого газа, который и заставляет бездрожжевое тесто подниматься.

Ион натрия важен для организма – совместно с калием натрий создает условия для мышечных сокращений, нормализует водный баланс организма и активирует некоторые ферменты. В среднем человеку необходимо не более двух граммов натрия в день, который он, в основном потребляет с поваренной солью. Если посчитать, за год нормальной дозой поваренной соли для человека будет 1.85 килограмм, то есть, чтобы съесть пресловутый пуд соли на двоих нужно потратить 4–5 лет (именно поэтому, вероятно и появляется кризис пятилетки отношений – за пять лет партнёры узнают друг друга во всех подробностях, что не всегда вяжется с их ожиданиями).

12. Магний

Лето 1618 года выдалось очень засушливым для Европы – и люди, и животные были готовы удалить жажду из любого мутного ручейка, в который превратились многие полноводные реки. Однако, в разгар засухи фермер из английского графства Суррей Генри Викер заметил водоём, заполненный прозрачной и чистой водой, из которого, отказывались пить даже очень страдающие от жажды овцы.

Викер обнаружил, что вода из водоёма горька на вкус, а при её испарении образуется белая соль, обладающая слабительным действием. Так была обнаружена горькая, она же эпсомская, она же английская соль (сульфат магния, MgSO₄), которая три с половиной века применялась для лечения запоров.

О том, что магний является элементом, первым в 1755 году предположил шотландский химик Джозеф Блек. Загрязнённый большим количеством примесей металлический магний, нагревая смесь древесного угля и порошка магнезии (оксида магния MgO) впервые выделил в 1792 австриец Антон Руппрехт. Руппрехт назвал элемент «аустурием» в честь Австрии. Название «магний» дал элементу Хэмфри Дэви, в 1808 году получивший образец этого элемента в чистом виде. В качестве исходного вещества для своего эксперимента Дэви взял минерал магнезит (MgCO₃), названный в свою очередь в честь греческого города Магнесия, в окрестностях которого его издревле добывали.

Магний играет ключевую роль для всех аэробных организмов на Земле – он находится в активном центре хлорофиллов, позволяющих растениям запасать солнечную энергию в химическую, превращая молекулы углекислого газа и воды в глюкозу, которая затем превращается в целлюлозу или крахмал, равно как и многих других критически важных для обмена веществ молекул. С пищей человек в среднем потребляет 300–400 миллиграмм магния в сутки, что обычно покрывает суточную потребность организма в этом элементе. Дефицит магния может приводить к развитию таких состояний, как бессонница, хроническая усталость, остеопороз, артрит мышечные спазмы, аритмия или запоры. Незначительный недостаток магния в организме можно пополнить, поедая миндаль, кешью, сою, мозги или шоколад – все они богаты магнием. Магния много в некоторых марках британского пива, вероятно из-за того, что при его варке применяют воду с высоким содержанием сульфата магния (остается надеяться, что слабительный эффект от такого пива проявляется позже освежающего).

Магний седьмой по распространенности элемент в земной коре и третий – в расплавленной мантии Земли, состоящей преимущественно из силикатов магния – оливина и пироксена. Магния много в морской и океанской воде, так что фотографам конца XIX – начала XX века было из чего добывать магний, чтобы размалывать его в порошок и применять в первых фотовспышках. В наши дни металлический магний получают электролизом расплава его хлорида.

Магний горит, выделяя огромное количество тепла, и, если он загорается, потушить его практически невозможно – горение магния поддерживает не только кислород и азот атмосферы, но и самое распространённое средство пожаротушения – вода. Во время второй мировой войны американские оружейники разработали зажигательную авиационную бомбу М69, большая часть от 2.7 килограмм которой приходилась на магний. При активации боеприпаса загоралась термитная смесь (смесь порошков оксида железа и металлического алюминия), термит поджигал магний, который содержался как внутри корпуса бомбы, так и представлял большую часть её корпуса, ну а горящий магний поджигал на поверхности земли все, что могло гореть, попутно понижая содержание кислорода. Как свидетельствуют отчеты американских ВВС, особенно эффективными такие зажигательные боеприпасы оказались при бомбежках Японии, в городах которой было очень мало каменных строений.

В земной коре содержится немало минералов, в состав которых входит магний, но наиболее распространённые – уже упоминавшийся магнезит и доломит (карбонат кальция-магния, CaMg(CO₃)₂), добыча которых составляет десятки миллионов тонн ежегодно. Чаще всего из обоих руд выделяют магнезию (оксид магния), которая затем применяется как пищевая добавка для скота, средство для понижения кислотности почвы, армирующий агент для получения полимерных композитных материалов и для изготовления огнеупорного кирпича.

13. Алюминий

Давным-давно, в эпоху исторического материализма, когда на литературе проходили роман Н. Г. Чернышевского «Что делать?», учителя пытались объяснить нам, что «Четвертый сон Веры Павловны» – гениальное пророчество, и автору романа, или его лирической героине с приснившимися зданиями из алюминия удалось увидеть не только самый настоящий развитой социализм, но и предсказать появление архитектурного стиля индустриального конструктивизма.

Сейчас я склонен думать, что это не так, и через Веру Павловну Николай Гаврилович описал примерно такой же утопический Город Солнца, как и Кампанелла, только с молочными реками, кисельными берегами и невиданной роскошью – во времена Чернышевского стоимость алюминия не меньше, чем у серебра, и не только в России. Лондонское химическое общество, желая произвести впечатление дороговизной подарка, в 1889 году подарило Дмитрию Ивановичу Менделееву весы из золота и алюминия. Сомнительно, что Чернышевский мог предвидеть то, что придёт время и, благодаря химикам, алюминий станет самым дешёвым металлом на Земле.

Алюминий – третий по распространённости после кислорода и кремния элемент в Земной коре и самый распространённый металл. Несмотря на то, что алюминий можно найти в огромном количестве минералов и в глиняной почве, до 1808 года об этом металле никто не знал. Первооткрывателем алюминия и учёным, давшим ему имя, был тот же самый Хэмфри Дэви, давший название магнию (судя по всему, 1808 год у Дэви складывался весьма удачно). Учёный назвал алюминий в честь сырья, из которого выделил – квасцов (по латыни – alum), с античности применявшихся для закрепления окраски на тканях, правда Дэви удалось выделить грязный образец металла.

Первый образец чистого алюминия (легкого серебра) был получен в 1825 году датчанином Гансом Кристианом Эрстедом. Сложности извлечения алюминия из его оксидов позволяли получать лишь килограммовые количества алюминия, из-за чего какое-то время алюминий относили к драгоценным металлам. Цилиндр из алюминия выставлялся с королевскими регалиями на парижской выставке 1855 года, у Наполеона III был столовый набор, который подавали только самым почётным гостям.

Всё изменилось в 1886 году, когда Чарльз Мартин Холл, двадцатидвухлетний учёный любитель из Америки, разработал способ получения алюминия, который позже оказалось возможным масштабировать до целой отрасли металлургии. Для развития этого стартапа ему даже не пришлось прибегать к краудфайндингу, нанимать персонал и арендовать помещения – хватило старшей сестры в качестве ассистента и собственного сарая-мастерской. Холл растворил оксид алюминия (компонент белой глины или каолина) в расплавленном гексафтиоралюминате калия (более известном, как криолит) и пропустил через расплав постоянный ток большой силы. Удивительно, но в то же самое время другой двадцатидвухлетний изобретатель – француз Поль Луи Эру, ничего не зная о Холле и его работах, изобрел точно такой же способ, заставив патентные конторы Америки и Европы определять, чей способ получения считать приоритетным. В любом случае, химия проще и, наверное, честнее некоторых законов об интеллектуальной собственности. Разработанный независимо друг от друга молодыми людьми метод получения алюминия сейчас называется методом Холла-Эру, и до сих пор применяется для ежегодного получения миллионов тонн алюминия.

Перестав быть благородным металлом, алюминий быстро нашёл себе работу. К началу 1900-х годов провода из алюминия практически полностью вытеснили медные провода из электростанций и линий передачи электроэнергии. Гибкость, лёгкость и дешевизна алюминия компенсировали его меньшую по сравнению с медью электропроводность. Потом настала пора алюминиевых сплавов, со временем заменивших дерево и перкаль при строительстве летательных аппаратов тяжелее воздуха. Из лёгких магний-алюминиевых сплавов делают автомобильные детали, рамы для велосипедов (рама, основным компонентом которой являются магний и алюминий с примесями цинка и других легирующих добавок такая же прочная, как рама из стали, но весит раза в три меньше).

Пищевая промышленность и связанные с ней отрасли тоже не обошли стороной самый распространённый металл на Земле. Тонкая фольга из алюминия стала популярным упаковочным материалом, он стал применяться в изготовлении посуды, консервных банок. Процесс нанесения фторсодержащего полимера – тефлона, на алюминий привел к созданию компании, утварь и техника которой всегда думает о нас.

Однако в металлическом блеске алюминия есть и свои темные стороны. Несмотря на распространённость алюминия на Земле, эволюция так и не разработала ни одного биохимического процесса, в котором алюминий мог бы приносить клеткам или внеклеточным формам жизни хоть какую-то пользу. Более того растворимая форма алюминия – соли, содержащие катион Al⁺³ токсичны для растительных клеток. В кислых почвах высвобождение Al³⁺ из минералов ускоряется, урожайность культур, растущих на таких почвах падает, а к кислым относится чуть ли не половина всех возделываемых земель. Обмену веществ людей алюминий тоже не нужен, но он регулярно попадает к нам в организм с воздухом, которым мы дышим, едой и питьём. Следовые количества алюминия всегда присутствовали в нашем рационе даже у наших далеких предков, предпочитавших питаться, сидя на ветвях дерева, однако сейчас мы преднамеренно увеличиваем его содержание в нашей пище – некоторые пищевые добавки содержат алюминий. Незначительное количество алюминия может попадать в наш организм через кожу, когда мы пользуемся содержащими оксид алюминия антиперспирантами, но все эти источники не могу поднять содержание алюминия в нашем организме до опасного уровня. Иронично, но самые ударные дозы алюминия мы получаем с лекарствами – антацидами, цель которых снизить кислотность желудка. Существуют исследования, в которых говорится о связи алюминия и болезни Альцгеймера, но является алюминий фактором формирования ответственных за это заболевание амилоидных бляшек или наоборот, сами бляшки интенсивно копят алюминий – неясно. В любом случае, чтобы не насыщать свой организм алюминием сверх меры стоит перекладывать не съеденное сразу содержимое консервных банок в контейнеры из других материалов (ионы алюминия начнут попадать в пищу, только тогда, когда начнет контактировать с воздухом, то есть только после вскрытия банки) и наоборот – не следует готовить кислую пищу в алюминиевой посуде.