книги / Неорганическая химия

щиеся величиной заряда и, следовательно, отличающиеся по хи­ мическим свойствам. Это, например, атомы изотопа аргона ^Аг40 и калия 19К40; хрома 24СГ64 и железа гвРе64; кадмия 4аСд112 и оло­ ва 5о 8 п 112 . Такие атомы были названы изобарами (т. е. имею­ щими одинаковый вес). При одинаковой массе они'проявляют разные химические свойства, поэтому принадлежат разным, эле­ ментам.

Следовательно, масса атома элемента сама по себе, как это предполагал творец периодической системы Д. И. Менделеев, не

оо,

Магнитное

попе

Рис. 41. Схема масс-спектрографа

во всех случаях определяет химические свойства элементов; ос­ новной характеристикой свойств элементов является величина заряда ядра его атома.

Понятие об изотопах и изобарах потребовало уточнения са­ мого понятия «химический элемент». В настоящее время хими­ ческий элемент определяется как вид атомов, характеризующих­ ся одинаковой величиной заряда ядра и, следовательно, зани­ мающих определенное место в периодической системе химиче­ ских элементов Д. И. Менделеева.

3. ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Выдающиеся французские физики И. и Ф. Жолиб-Кюри в 1934 г. открыли явление искусственной радиоактивности. Они обнаружили, что при облучении некоторых элементов (А1, В, и др.) а-частицами наблюдается излучение нейтронов, по­ зитронов (частиц, по массе равных, электронам, но с положи­ тельным зарядом). Излучение позитронов не прекращается пос­ ле того, как удален источник а-частиц. Оно, как и излучение ес­ тественных радиоактивных элементов, ослабевает во времени. При облучении алюминия появляются атомы искусственного ра­ диоактивного изотопа фосфора )5Р30 с периодом полураспада

3 мин. Эти атомы, излучая позитроны р+ , превращаются в ато«* мы устойчивого изотопа кремния мЗ!30!

Таким же образом атомы бора 5В10 превращаются в искусственные радиоактивные атомы азота 7Ы13. По­ следние, испуская позитроны, пре­ вращаются в атомы изотопа угле­ рода 6С13:

гл. XXIX) с применением а-частиц, протонов, нейтронов, дейто* нов и т. д. Например, для получения радиоактивного изотопа натрия цИ24 тонкий слой сплавленного метабората натрия ЫаВ02 облучают ионным пучком действия в результате че­ го возникает ядерная реакция, и мишень становится радиоак­ тивной:

,1№ » + ; , 0 « - цИ а « + 1р'.

Вещество мишени растворяют в горячей воде, подкисленной соляной кислотой. Раствор выпаривают, получают радиоактив­ ный хлористый натрий ЫаС1. Так же получают радиоактивный изотоп бС14. Для этого несколько литров раствора N ^ N 6)3 не­ прерывно прогоняют через внутреннее пространство реактора. В результате происходит превращение:

?№4- } - п '^ вС“ -К р '.

В настоящее время получено свыше 1000 искусственных ра­ диоактивных изотопов разных элементов.

Открытие искусственной радиоактивности позволило полу­ чить ряд новых элементов, открыть новые виды превращений.

получении искусственных радиоактивных изотопов обнаружены

новые виды радиоактивности: излучение позитронов р+ (по­ зитронный распад), захват ядром электронов из электронных слоев атома (/(-электронный захват^ самопроизвольное деление ядер и др.

Искусственные радиоактивные изотопы, как правило, радио­ активных рядов не образуют. Им свойственна в большинстве случаев так называемая одноступенчатость распада, переход от радиоактивного элемента к нерадиоактивному (например, от радиоактивного фосфора 15Р30 к нерадиоактивному кремнию

Радиоактивные излучения можно фиксировать на фотогра­ фических пластинках специальными аппаратами (счетчиками радиоактивных излучений) и др.; можно точно устанавливать местонахождение источника излучения, его интенсивность и т. д.

Радиоактивные изотопы по своим химическим свойствам ни­ чем не отличаются от нерадиоактивных.

При внесении смеси радиоактивных и нерадиоактивных ато­ мов элемента в какую-либо среду (внутрь живого организма и т. д.) каждый атом радиоактивного Изотопа, подвергаясь ра-. диоактивному распаду, сигнализирует в форме излучения о мес­ топребывании и движении всей массы атомов данного элемента. Он является своего, рода «меткой», с помощью которой, можно проследить за .поведением всех атомов данного элемента, за их перемещением. Метод «меченых» атомов в настоящее время на­ шел широкое применение в различных областях науки — в био­ логий, химии, медицине, в техникеи сельском хозяйстве. Приме­ нение этого метода позволило расширить гр>аницы изучения по­ ведения элементов в различнцх процессах, полнее изучить слож­ ные процессы, протекающие в. живых организмах,(см. гл. X X IX ).

Распространенность элементов в земной коре Таб лица 15 (по данным академиков В. И. Вернадского и А. Е, Ферсмана)_____________________________

Порядок Декады содержания Элементы и их весовые проценты

в процентах

о81

риетики распространенности элементов хорошо видна на приме­ ре водорода. Так, в весовых процентах его содержание в земной коре всего 0,87%, а в атомных процентах он по распространён-

Рис. 42. Распространение химических элементов в земной коре:

а — о атомных процентах; б — в весовых процентах

ности занимает второе место после кислорода — 16,95% (рис. 42: а — атомные проценты, б — весовые проценты),

2. ВОДОРОД

Водород — элемент, который под названием «горючий воз­ дух» был известен еще химикам XVI—XVII в. (Кэвендиш и др,). Элементарная природа водорода установлена французским хи­ миком А. Лавуазье (1783), который выделил водород из воды и показал, что вода представляет собой химическое соединение водорода с кислородом. Название «водород» в русской литерату­ ре было введено проф. М. Ф. Соловьевым (1824). В земной коре его содержится 1% весовых или 17% атомных. Во Вселенной водород — самый распространенный элемент: его в Сотни раз больше, чем атомов других элементов; кроме того, он является главной составной частью солнечной атмосферы, а также мно­ гих звезд.

В свободном состоянии водород-содержится в природе в Нич­ тожных количествах, главным образом, в верхних; слоях атмос­ феры. В некоторых случаях свободный водород выделяется в смеси с другими газами при вулканических извержениях, из бу­ ровых нефтяных скважин и др. Основная же его масса находится в связанном состоянии. Он входит в состав многих веществ. На­ пример, в воде связанного водорода 11,11%, в растительных и животных организмах около 6,5% сухой массы. Кроме того, во­ дород входит в состав нефти, природных газов, углей; глин и других минеральных образований. Главный источник для полу­ чения свободного водорода — вода. Получают его разными спо­ собами. Такие химически активные металлы, как калий, натрий, кальций, вытесняют водород даже из холодной воды. Реакция калия и натрия с водой идет весьма энергично, выделяется мно­

го тепла, и водород воспламеняется. Реакция взаимодействия воды с кальцием идет менее энергично:

2Ыа + 2Н20 = 2ЫаОН4Н2>

Са -I* 2НаО = Са (ОН)2 + Н2.

Железо, цинк, магний и некоторые другие металлы, нагретые до температуры красного каления, также энергично взаимодей­ ствуют с водяным паром, вытесняя водород.

Наиболее известен и давно используется в промышленности все время совершенствуемый железопаровой способ получения водорода из воды. В качестве исходного металлосоединения бе­ рут железную руду, содержащую в основном окись железа РегОз. Процесс проводят в специальных установках, состоящих из генератора и паронагревателя. Предварительно окись железа при высокой температуре с помощью газообразного восстанови­ теля (СО, СН4 и др.) восстанавливают до закиси железа РеО или до свободного железа Ре. Над восстановленной рудой пропуска­ ют водяной пар, нагретый.до 900°О, который разлагается: '

; Если водяной пар пропускать над раскаленным углем, то кислород воды, взаимодействуя с углем, образует окись углеро­

да и водород:

С4-нао =со+на.

Эта смесь газов называется, водяным газом и используется как газовое топливо..

Широкое применение начинает находить..электролитическое производство водорода. Это наиболее простой метод получения водорода в чистом виде. Электролитом служат, водные растворы щелочей (Г\ГаОН, КОН) или кислот (Н250 4). При электролизе (рис. 43) ионы.водорода, передвигаясь к катоду,, отдают на нем свой заряд и- переходят в. нейтральные атомы.;Последние соеди­ няются; в Молекулы Нг и, выделяются на катоде. Ионы, же гидро­ ксила разряжаются на аноде с образованием, воды и кислорода:

40Н — 2НаО -{^ Оа.

В лабораторных условиях водород .'обычно получают в аппа­ ратах Киппа действием на металлы (2п, Ре) разведенной серной или соляной кислотами:

2 п + Н а5 0 4 = 2п304 + На.

Так как такой водород содержит пары воды, то его для осу­ шения пропускают через концентрированную Н2504, которая жадно поглощает пары воды.

Водород также получают нагреванием едкого натра или ед­ кого кали с алюминиевыми шит цинковыми стружками, при этом получается алюминат или цинкат натрия (калия):

2А1 + 2ЫаОН + 2НаО = 2№АЮЯ+ ЗН2

или

2п 4- 2ЫаОН = Ыа22п02 4- Н2.

Водород — бесцветный газ, не имеющий запаха, самый лег­ кий из всех газов. Он в 14,5 раза легче воздуха, благодаря чему его используют для наполнения воздушных шаров и дирижаб­ лей. Способность к диффузии у водорода благодаря его легкости

в сторону, иногда — сходство). Обе модификации имеют одина­ ковые химические свойства, но физические свойства их (удель­ ная теплоемкость, точки плавления и кипения) несколько раз­ личны. Обусловливается это тем, что в молекуле водорода у ор­ товодорода оба ядра (протона) вращаются в одинаковых на­ правлениях, а у параводорода — противоположных. Ортоводород образует плотно упакованные кристаллы — кубические, а параво­ дород — уплотненные гексагональные.

При обыкновенной температуре водород состоит из. трех ча­ стей ортоводорода и одной части параводорода, находящихся в равновесии. Понижение температуры смещает равновесие в сто­ рону параводорода, а с увеличением содержания параводоро­ да общая теплоемкость смеси уменьшается, так как тепло­ емкость параводорода меньше теплоемкости ортоводорода. Та­ кому превращению способствует присутствие платины, палла­ дия и активного угля, применяемого при получении параво­ дорода.

Водород горит в воздухе или чистом кислороде едва видимым бледно-синим пламенем. Если над пламенем горящего водорода держать сосуд с холодной водой, то на его поверхности образу­ ются капельки, воды — результат конденсации образующегося водяного пара. Есть особая горелка — «кран Даниэля» (рис. 44),

1

Рис. 44. Горелка для гремучего газа (кран Даниэля)

в которую пускают отдельно водород и кислород, чтобы они смешивались у выходного отверстия. Если зажечь эту смесь и пламя направить на кусок негашеной извести, то от накаливаю­ щейся добела извести исходит весьма яркий свет («друммондов свет»). В закрытом пространстве температура этого пламени выше 2600°С. При поджигании смеси двух объемов водорода с одним объемом кислорода происходит взрыв и выделяется тепло:

2На -}- 02 = 2НаО 136,8 ккал.

Такая смесь получила название «гремучего газа».

Водород непосредственно. соединяется лишь с немногими простыми веществами: с кислородом, хлором, фтором и литием. В присутствии тонкоизмельченной платины соединение водоро­ да с кислородом начинается уже при обыкновенной температуре; за счет теплоты реакциитемпература повышается настолько, что смесь воспламеняется. Много лет назад это явление было

Реакция соединения водорода со фтором протекает бурно даже в темноте и при низкой температуре:

На+ Р 2 = 2НР.

С хлором водород соединяется медленно на рассеянном днев­ ном свету, но при прямом солнечном освещении или при нагре­ вании бурно взрывает:

Н2 + С12 = 2НС1.

При действии водорода на иод имеет место обратимая реакция:

Н2 + ^ 2 Ш .

Срасплавленной серой водород образует сероводород­

ны м и ^ .

При реакции с а.з.о.том.образуется.аммиак:

ЗН2Н-Н2^ 2 Ш з

Эту реакцию проводят в присутствии катализатора и при повы­ шенном давлении.

Во всех этих реакциях водород играет роль восстановителя. Свободный водород может отнимать кислород от многих окислов металлов, например:

СиО Н2 = Си -{- Н20 .

ЫаН, СаНг, ВаН*) — бесцветные, кристаллические хрупкие ве­ щества. Получаются они взаимодействием щелочных или щелоч­ ноземельных металлов с водородом при нагревании первых до 200—400°С, а вторых до 300—600°С. Водой эти гидриды разла­ гаются:

СаНа + 2Н20 = Са(ОН)2 + 2Н2.

Водород здесь находится в форме отрицательного иона. Гидриды обладают большой химической активностью, при

повышенных температурах являются хорошими восстановителя­ ми. Гидриды щелочных металлов растворяются в жидком амми­ аке, образуя растворы. При электролизе таких растворов на катоде выделяется металл, а на. аноде — водород.

Железо, никель, кобальт, медь, платиновые металлы, молиб­ ден, алюминий, серебро в твердом состоянии растворяют мало водорода, в расплавленном больше. Титан, цирконий, лантан, ниобий, тантал, торий, редкоземельные металлы образуют гид­ риды определенного состава. Это хрупкие кристаллические ве­ щества.

Свойство металлов поглощать водорода зависит от темпера* туры и давления. Это имеет важное практическое значение: в