Химические элементы

В дальнейшем мы увидим, что все элементы имеют аналоги, то есть другие элементы, со схожими свойствами. На этом принципе построена периодическая система элементов. Но у водорода нет аналогов. Он уникален и стоит сам по себе. Если взять любой другой атом любого элемента, то у него сложно отобрать все электроны, да и ядро представляет сложную структуру из протонов и нейтронов. А если у водорода отобрать электрон, то останется только элементарная частица – протон.

Уникальность его свойств определяет внешний вид не только нашего Земного мира, но и всей вселенной. Она на 88,6 % состоит именно из водорода. В результате термоядерной реакции он сгорает в недрах звезд и превращается в атомы гелия. К тому же, вылетающие из звезд в космическое пространство ускоренные протоны называются солнечным ветром. И такой ветерок, скажем мы вам, очень даже смертельный. С ним необходимо считаться при межпланетных или межзвездных перелетах в будущем. А попадая в земную атмосферу, такой ветер взаимодействует с ее элементами. Благодаря этому мы можем наблюдать северное сияние.

Собственно протон – это катион водорода H+. Если он где-нибудь находит электрон, то становится атомом водорода. Взаимодействуя с атомами кислорода, протоны солнечного ветра образуют молекулы воды, которые дождем выпадают на Землю.

В лабораториях химики получают газообразный водород в аппаратах Киппа при помощи реакции разбавленной серной кислоты H2SO4 и цинка Zn. Также его получают электролизом дистиллированной воды. В этом случае вода разлагается на водород и кислород. Для улучшения проводимости воды в нее добавляют немного соли.

При работе с водородом необходимо быть крайне осторожным, так как смесь водорода с воздухом в соотношении 2: 5 образует гремучую смесь, которая при малейшей искре взрывается.

Водород входит во множество различных химических соединений. Например, в состав кислот: HCl, HF, H2SO4, HNO3, H3PO4 и т. д. Если вы внимательно приглядитесь к тому, что общего в этих формулах, то научитесь интуитивно определять, что перед вами формула какой-то кислоты. Также он входит в состав щелочей и гидроксидов: NaOH, KOH, LiOH, Fe(OH)3, Ca(OH)2… Ну и, конечно же, водород входит в состав всем известной воды H2O.

Водород имеет широкое применение и встречается во многих химических соединениях. Чего стоит одна органическая химия, где основу составляют соединения углерода с водородом. Водород используется при производстве аммиака NH3, углеводородов, масел, в качестве ракетного топлива. Также ученые планируют освоить термоядерный синтез для получения дешевой электроэнергии.

Если водород как следует охладить и приложить очень высокое давление, то он переходит в металлическое состояние. Правда, удалось получить водород в таком состоянии всего на одну микросекунду, то есть на 1 миллионную долю секунды.

Инертные газы

Чтобы найти в таблице Менделеева элементы, которые называют инертными газами, надо просто посмотреть на самую последнюю колонку. Их еще называют благородными газами. Свое общее название эти элементы получили благодаря своим свойствам: быть инертными и не вступать в химические реакции. То есть не взаимодействовать ни с чем. Они как коты, которые гуляют сами по себе.

Своими свойствами они обязаны тому, что все имеющиеся электронные оболочки полностью заполнены. У них «все есть». Ввязываться во взаимоотношения с другими элементами им абсолютно неинтересно. Поэтому все молекулы инертных газов – одноатомные. Но, все это до тех пор, пока мы говорим про обычные условия. Однако если мы поместим эти элементы в весьма экстремальные условия, то лучше с ними не связываться. В самых жестких условиях эти элементы могут потерять один или несколько внешних электронов. А этого они не любят. Поэтому стремятся снова заполнить свои внешние орбитали, отобрав электроны у всего, что окажется рядом.

Такие условия возможны, например, в индуктивно связанной плазме, где аргон нагревается до 5-6 тысяч градусов цельсия, теряет внешние электроны и образует множество различных химических соединений. Подробнее об этом можно посмотреть в видео «Масс-спектрометр ICP-MS» на нашем YouTube-канале. Что такое индуктивно связанная плазма там тоже рассмотрено.

Гелий. В честь солнца

Гелий является странным представителем инертных газов. Если все остальные элементы данного семейства имеют электронную конфигурацию ns2np6, то у гелия только 1s2. У гелия нет p-уровня. По электронному строению он больше похож на щелочноземельные металлы, так как те тоже имеют внешнюю орбиталь ns2, где n – это номер периода в таблице Менделеева (номер строчки). Однако по своим свойствам это именно благородный газ, а не металл. Также он не вступает в химические реакции ни с кем. Поэтому ученые отнесли его именно к инертным газам.

Если вы думаете, что водород – самый маленький атом из всех, то ошибаетесь. Самый маленький атом именно у гелия. В его атоме 2 электрона и 2 протона, которые сильнее сжимают размер электронной оболочки. При этом эти электроны крайне трудно оторвать от атома гелия.

Гелий был открыт сначала на Солнце и только через 13 лет на Земле. Причем на Земле гелий образуется благодаря радиоактивному распаду ядер урана. Но об этом позже. Если рассматривать химический состав вселенной, то выяснится, что она на 23 % состоит из гелия, на 76 % из водорода и только 1 % составляют все остальные химические элементы. Звезды, межзвездный газ – это все водород и гелий. Сам же гелий образуется в ядрах звезд в результате термоядерной реакции взаимодействия двух ядер водорода. А энергия, высвободившаяся при этом, излучается звездами в виде света и тепла, которые доходят до Земли от Солнца.

Впервые гелий начали применять в 1915 году в качестве наполнителя дирижаблей, заместив взрывоопасный водород. Далее он нашел свое применение в тяжелой промышленности и металлургии. Многие операции нельзя проводить на открытом воздухе, так как в нем есть кислород и азот, с которыми могут взаимодействовать получаемые вещества. А гелий – инертен. Поэтому, если заменить воздушную атмосферу на гелиевую при таком производстве, то качество получаемой продукции резко возрастет.

Всем нам известно, что глубоководники сталкиваются с проблемой кесонной болезни, в результате которой при резком всплытии азот в крови кипит и закупоривает кровеносные сосуды. Это происходит из-за того, что азот хорошо растворим в жидкостях. Если в атмосфере, которой дышат аквалангисты, азот заменить на гелий, то можно решить эту проблему, так как гелий не растворим в жидкостях. И таким «воздухом» на основе гелия можно безопасно дышать. Также гелий применяется в хорошо известных нам целях – воздушные шарики наполняют гелием.

Твердый гелий невозможно получить, просто охлаждая его. Даже при температуре, близкой к абсолютному нулю, гелий остается жидким. Причем в жидком состоянии он обладает сверхтекучестью. Он может вытекать через трубочки самого маленького диаметра. Чтобы все-таки получить твердый гелий, необходимо жидкий гелий поместить под очень высокое давление.

Неон. Новый

В 1898 году данный газ был открыт англичанином Уильямом Рамзаем. К этому моменту были известны только гелий и аргон. Он сжижал воздух, а затем медленно испарял из него фракции веществ, имевших разные температуры кипения. И снова их собирал, но уже по отдельности. Далее Рамзай исследовал их методом спектрального анализа. Он помещал газ в стеклянную трубку и подавал на него электрический ток. Газ начинал светиться. При этом записывались спектральные линии.