Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
РЕФЕРАТ
На тему:
МИР СОСТОИТ ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ
Выполнила:
Осипова Юлия
Ученица 9 «б» класса Школа №1
Брянск-2007
План реферата:
Введение
1. Классификация наиболее распространенных в природе химических элементов
1. Круговороты химических элементов
1.1 Круговорот азота в природе
1.2 Круговорот кислорода
1.3 Круговорот фосфора
1.4 Круговорот углерода
2. Человек…..
3. Металлы в природе
3.1 Кальций
3.2 Магний
3.3 Железо
Введение
Видно, чем-то похожа
На камень вода.
И в далеком родстве
Светлячок и звезда.
Что все это роднит:
Облака и гранит,
Человека, и звезды, и птиц?
Сложен мир.
Сложен мир из мельчайших частиц.
Ефим Ефимовский
Мир состоит из химических элементов.
Химические элементы являются кирпичиками мироздания.
Все многообразие окружающей нас действительности (и мы сами) состоит из комбинаций атомов сравнительно небольшого числа химических элементов. Около 90 элементов существует в природе (остальные получены искусственно с помощью ядерных реакций). Организм человека содержит около 70 элементов.
Всего лишь 8 элементов - кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний – составляют по массе 99% земной коры, причем половина приходится на кислород, а четверть – на кремний.
Поскольку все живое и окружающая живое среда состоят из атомов определенных элементов, совершенно ясно, что любое экологическое взаимоотношение только тогда будет глубоко раскрыто и понятно, когда будут проанализированы атомно-молекулярные основы этого взаимоотношения. Циклические перемещения химических элементов в биосфере придают последней определенную стабильность и обуславливают ее специфические свойства. Поэтому рассмотрение вопросов превращения элементов в природе, роли, которую они играют для биосферы, ее живых и неживых компонентов является ключевым моментом для понимания основ той или иной экологической проблемы.
1. Классификация наиболее распространенных в природе химических элементов
Из химических элементов, встречающихся в природе в существенных количествах (а таких ~ 50), примерно половину составляют биогенные элементы. Они жизненно необходимы организмам.
Оставшаяся половина – второстепенные элементы, не представляющие какой-либо известной ценности для живой клетки. Сам термин «второстепенные элементы» не совсем удачен. В природе нет таких элементов, к которым можно бы было относиться пренебрежительно Второстепенность здесь следует понимать как редкость, слабое распространение атомов некоторых химических элементов в составе живой природы.
В свою очередь, биогенные элементы делят на макро- и микроэлементы.
Макроэлементы (у животных к ним обычно относят 11 элементов) включают две группы: основные (6), из которых строятся биомолекулы клетки – белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводороды, и другие (5). Для углерода, азота, кислорода и водорода используют также исторически сложившееся общее название органогены – т. е. элементы, порождающие органические вещества.
Роль микроэлементов в жизни человека для одних из них доказана, для других вероятна. Главный критерий, по которому отличают макро- от микроэлементов – потребность организма в элементе. (выраженная в мг/кг массы или мг/сутки). Ежедневная потребность в макроэлементах составляет примерно 100мг/ сутки, тогда как в микроэлементах не превышает нескольких миллиграммов.
|
Элементы встречающиеся в природе в существенных количествах. |
||||
|
Биогенные элементы |
Второст. Элементы |
|||
|
макроэлементы |
микроэлементы |
|||
|
Основные: C,H,N,O,S,P |
Другие: Ca,Mg,Na,K,Cl |
Доказанные: Cu,Mn,Fe,Zn,Mo,F,I,Se |
Вероятные: Cr,Ni,V,Sn,As,Si |
|
|
Потребность:~100 мг/сут |
Потребность:<5-10 мг/сут |
1.1 Круговороты химических элементов
Химические элементы путешествуют, как и люди. Однако средств передвижения у химических элементов больше, потому что они используют транспорт, созданный и природой, и человеком. В природе химические элементы передвигаются в земной коре вместе с магматическими расплавами, по земле – в виде обломков горных пород, с глубинными и поверхностными водами, с живыми организмами.
Химическим элементам помогают путешествовать люди, отправляя их с продуктами питания (зерном, фруктами, овощами), с сырьем для промышленности (железной рудой, древесиной, углем) по железным дорогам, на самолетах и морских судах.
На пути химических элементов могут возникнуть препятствия – геохимические барьеры, заставляющие их накапливаться в земной коре, почвах, илах и живых организмах. Химические элементы всегда путешествуют вместе.
1.2 Круговорот азота в природе
При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве и трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например, с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты
2НNОз + СаСОз = Са(NОз)2 + СО2 +Н2О
Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходят в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву, часть его постепенно выделяется в свободном виде.
Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам относятся, прежде всего, происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий – «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.
Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например, зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.
На поверхности земного шара постоянно происходят процессы окисления (дыхание растительных и животных организмов, гниение), в результате чего свободный кислород связывается с другими элементами, входящими в состав органических веществ, и образует разнообразные соединения, например углекислый газ CO2, воду Н2О.
1.3 Круговорот кислорода в природе
Но количество свободного кислорода в атмосфере остаётся неизменным. Это происходит потому, что природу протекают процессы, обратные окислению, в результате которых образуется свободный кислород. Действительно, как показал русский ученый К.А. Тимирязев, в зеленых листьях растений под действием солнечных лучей и хлорофилла из воды и углекислого газа СО2 образуются органические вещества и кислород О2, выделяющийся в атмосферу.
Освобожденный кислород снова затрачивается при окислении органических веществ. Образующиеся при этом окислении вода и углекислый газ вновь превращаются в зеленых листьях на солнечном свету в органические вещества и свободный кислород и т. д. Так осуществляется круговорот кислорода в природе, т. е. попеременное вхождение его в соединения и выделение из них.
1.4 Круговорот фосфора
Растения могут произрастать, если в почве содержатся фосфаты. Но этих солей даже в наиболее плодородных почвах содержится мало. Там, где человек не вмешивается в жизнь природы, извлеченный растениями из почвы фосфор вновь возвращается в почву при гниении остатков растений и животных. Так осуществляется круговорот фосфора в природе.
1.5 Круговорот углерода
Подробно другим элементам, атомы углерода в природе не находятся постоянно в одних и тех же соединениях, а переходят из одних веществ в другие.
До 17 млрд. т углерода двуокиси углерода ежегодно переходит из атмосферы в состав органических веществ растений. Много углерода, перешедшего в состав растений, усваивается организмами животных и человека с растительной пищей. Часть ассимилированного растениями углерода отлагается в земле в виде торфа, угля и сланцев.
Кроме поглощения двуокиси углерода растениями, много ее связывается также в результате взаимодействия с карбонатами земной коры, которые при этом переходят в бикарбонаты.
Наряду с процессами связывания двуокиси углерода идут процессы выделения ее в атмосферу. В огромном количестве двуокись углерода образуется при дыхании животных, человека и растений. Выделение двуокиси углерода в атмосферу происходит также при сжигании различных видов топлива. Наконец, атмосфера пополняется двуокисью углерода благодаря деятельности вулканов, выделению газов из трещин земли и водных источников. Так происходит в природе непрерывный круговорот углерода.
2. История человечества
Ртуть широко применялась со времен Римской империи и до наших дней. В Древнем Риме ртуть использовали при очистке серебра и золота от примесей. С древних времен и до наших дней шахтеры и рабочие очистных установок страдали от различных заболеваний. Есть и другие опасные профессии. Выражение "сумасшедший как шляпный мастер" объясняется тем, что шляпные мастера постоянно подвергались воздействию ртутных соединений, использовавшихся при изготовлении фетровых шляп, и впоследствии часто сходили с ума.
Кроме безумия к признакам ртутного отравления относится бледность, выпадение зубов, нарушение деятельности головного мозга и изменение двигательных рефлексов. При длительном контакте с ртутью возможны кома и смертельный исход.
Часть ртути поступает в организм в виде "серебряных" зубных пломб. Некоторые наполнители из амальгамы содержат до 40-50 % ртути. Такие пломбы являются постоянно действующим источником яда в организме. К счастью, стоматологи сейчас уже используют другие материалы для этих целей. Под действием ртути снижается иммунитет. Ртуть снижает количество белых клеток крови, включая Т-клетки, убивающие инородные тела в организме. Доктор Давид Эглман сообщил, что после удаления у пациента шести пломб из амальгамы наблюдался 26%-ный рост количества Т-клеток. Чтобы удостовериться, что это не случайное совпадение, он снова установил 4 пломбы пациенту и обнаружил 18%-ное снижение числа Т-клеток.
В США с 1900 года было использовано в химии, сельском хозяйстве и промышленности свыше 160 миллионов фунтов ртути. Ртуть является кумулятивным ядом. Она поступает в окружающую среду в виде токсичных паров или ядовитых органических форм, известных под названием метилртуть. Метилртуть проникает в воду и накапливается в пищевой цепочке. В начале пищевой цепочки происходит загрязнение ртутью больших рыб, например меч-рыбы. Я считаю, что следует отказаться от употребления блюд из крупной рыбы, например тунца. Источники и последствия действия ртути приведены в следующей таблице.
Кадмий, напоминающий олово, тоже угрожает нашему здоровью. Он может оказаться более опасным, чем свинец. Кадмиевая пыль и пары высокотоксичны. Воздействие кадмия может привести к серьезным заболеваниям почек и легких и способствует развитию рака. Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья установил, что около 1,5 млн рабочих США постоянно подвержены действию кадмия. Согласно сообщению ЁРА, ежегодно около 700 тонн кадмия выбрасывается в атмосферу из печей, плавилен и других промышленных установок. Этот металл широко используется в никель-кадмиевых аккумуляторах, припоях и других сплавах в качестве пигмента и отвердителя, при изготовлении пластмасс. Кадмиевое гальваническое покрытие предохраняет сталь от коррозии.
В ряде последних исследований показано, что курильщики имеют значительные количества кадмия в организме. "Пассивные курильщики", то есть люди, окружающие курящих, также получают определенное количество кадмия. Кадмий - кумулятивный яд и приводит к отравлениям разной степени. Он вызывает гипертонию, накапливается в почках и снижает иммунитет. Избыток кадмия в организме уменьшает продолжительность жизни, вызывает анемию, влияет на метаболизм цинка, приводит к заболеваниям легких и уменьшает количество Т-клеток в организме. Общий иммунитет снижается из-за нарушения функций органов (печень, почки), жизненно важных для иммунной системы и уменьшения количества Т-клеток. Приведенная выше таблица содержит список источников кадмия и потенциальных последствий его воздействия на организм.
Несмотря на то что алюминий является легким металлом, его в последнее время считают токсичным. В течение многих лет никто не подозревал, что он может поглощаться в организме, и поэтому его все еще используют при изготовлении кухонной посуды. Алюминий используют также при изготовлении множества медицинских приспособлений, а также добавляют в виде алюмосульфата натрия во многих технологических процессах при спекании порошков. Иногда его находят в питьевой воде.
Устранение источников алюминия, таких, как кухонная посуда, алюминиевая фольга, антиокислитель, чрезвычайно важно ввиду того, что в пище уже, как правило, присутствует некоторое количество алюминия из природных источников (почвы). Подобно другим примесям, концентрация алюминия возрастает при движении по пищевой цепочке. У пациентов с болезнью Альцгеймера (старческое слабоумие) количество алюминия в нервных клетках мозга в четыре раза превышало норму. Большие дозы алюминия могут способствовать появлению этого заболевания. Кроме того, алюминий может стать причиной появления повышенной возбудимости и нарушения психомоторных реакций у детей, анемии, головной боли, заболеваний почек и печени, слабоумия у пожилых пациентов, колитов и неврологических изменений, связанных с болезнью Паркинсона. В приводимой таблице даны сведения об источниках алюминия и возможных последствиях его действия.
3. Металлы в природе
Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Пищевые продукты и питьевая вода способствуют поступлению в организм практически всех химических элементов. Они повседневно вводятся в организм и выводятся из него. Анализы показали, что количество отдельных химических элементов и их соотношение в здоровом организме различных людей примерно одинаковы.
Мнение о том, что в организме человека можно обнаружить практически все элемента периодической системы Д.И. Менделеева, становится привычным. Однако предположения ученых идут дальше - в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет какую-то биологическую функцию.
Экспериментально установлено, что в организме человека металлы составляют 3 процента. Это очень много. Если принять массу человека за 70 кг, то на долю металлов приходится 2,1 кг. По отдельным металлам масса распределяется следующим образом: кальций (1700 г), калий (250 г), натрий (70 г), магний (42 г), магний (42 Г), железо (5 г), цинк (3 г). Остальное приходится на микроэлементы. Неорганические вещества в живом организме находятся в различных формах. Большинство ионов металлов образуют соединения с биологическими объектами. Уже сегодня установлено, что многие ферменты содержат ионы металлов.
Например, марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо -в 70, медь -в 30, а цинк – более чем в 100.
Рассмотрим имеющуюся на сегодняшнее время информацию о химических элементах, которые входят в биологические системы и оказывают на них определенное влияние. Прежде всего, нужно указать на шесть элементов, атомы которых входят в состав белков и нуклеиновых кислот: углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера.
Далее следует выделить двенадцать элементов, роль и значение которых для жизнедеятельности организмов известны: хлор, иод, натрий, калий, магний, кальций, мараганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден.
3.1 Кальций
Кальций (лат. Calcium), Ca (читается «кальций»), химический элемент с атомным номером 20, расположен в четвертом периоде в группе IIА периодической системы элементов Менделеева; атомная масса 40,08. Относится к числу щелочноземельных элементов.
Природный кальций состоит из смеси нуклидов с массовыми числами 40 (в смеси по массе 96,94 %), 44 (2,09%), 42 (0,667%), 48 (0,187%), 43 (0,135%) и 46 (0,003%). Конфигурация внешнего электронного слоя 4s2. Практически во всех соединениях степень окисления кальция +2 (валентность II).
Радиус нейтрального атома кальция 0,1974 нм, радиус иона Cа2+ от 0,114 нм (для координационного числа 6) до 0,148 нм (для координационного числа 12). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома кальция равны, соответственно, 6,133, 11,872, 50,91, 67,27 и 84,5 эВ.
По шкале Полинга электроотрицательность кальция около 1,0. В свободном виде кальций — серебристо-белый металл.
Нахождение в природе
Кальций — один из наиболее распространенных на Земле элементов. На его долю приходится 3,38% массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа). Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается. Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.). В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO3). Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.
Довольно широко распространены такие минералы кальция, как известняк СaCO3, ангидрит CaSO4 и гипс CaSO4·2H2O, флюорит CaF2, апатиты Ca5(PO4)3(F,Cl,OH), доломит MgCO3·СaCO3. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется ее жесткость. Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксилапатит Ca5(PO4)3(OH), или, в другой записи, 3Ca3(PO4)2 ·Са(OH)2 — основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др.
Физические и химические свойства
Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях (см. Аллотропия). До 443°C устойчив -Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчивCa с кубической объемно центрированной решеткой типа -Fe (параметр a = 0,448 нм). Температура плавления кальция 839°C, температура кипения 1484°C, плотность 1,55 г/см3.
Химическая активность кальция высока, но ниже, чем всех других щелочноземельных металлов. Он легко взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, из-за чего поверхность металлического кальция обычно тускло серая, поэтому в лаборатории кальций обычно хранят, как и другие щелочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина.
В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода. Стандартный электродный потенциал пары Ca2+/Ca0 –2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой:
Ca + 2Н2О = Ca(ОН)2 + Н2.
С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:
2Са + О2= 2СаО; Са + Br2= CaBr2.
При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется. С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:
Са + Н2= СаН2 (гидрид кальция),
Ca + 6B = CaB6 (борид кальция),
3Ca + N2= Ca3N2 (нитрид кальция)
Са + 2С = СаС2 (карбид кальция)
3Са + 2Р = Са3Р2 (фосфид кальция),
известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР5;
2Ca + Si = Ca2Si (силицид кальция),
известны также силициды кальция составов CaSi, Ca3Si4 и CaSi2.
Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты (т. е. эти реакции — экзотермические). Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:
СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2,
Ca3N2 + 3Н2О = 3Са(ОН)2 + 2NН3.
Оксид кальция — типично основной. В лаборатории и технике его получают термическим разложением карбонатов:
CaCO3 = CaO + CO2.
Технический оксид кальция СаО называется негашеной известью.
Он реагирует с водой с образованием Ca(ОН)2 и выделением большого количества теплоты:
CaО + Н2О = Ca(ОН)2.
Полученный таким способом Ca(ОН)2 обычно называют гашеной известью или известковым молоком из-за того, что растворимость гидроксида кальция в воде невелика (0,02 моль/л при 20°C), и при внесении его в воду образуется белая суспензия.
При взаимодействии с кислотными оксидами CaO образует соли, например:
CaО +СО2 = СаСО3; СаО + SO3 = CaSO4.
Ион Ca2+ бесцветен. При внесении в пламя солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.
Такие соли кальция, как хлорид CaCl2, бромид CaBr2, иодид CaI2 и нитрат Ca(NO3)2, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF2, карбонат CaCO3, сульфат CaSO4, средний ортофосфат Ca3(PO4)2, оксалат СаС2О4 и некоторые другие.
Важное значение имеет то обстоятельство, что в отличие от среднего карбоната кальция СаСО3 кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО3)2 в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается их растворение:
СаСО3 + СО2+ Н2О = Са(НСО3)2.
В тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция:
Са(НСО3)2 = СаСО3 + СО2+ Н2О.
Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться огромные провалы (см. Карст), а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» — сталактиты и сталагмиты.
Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жесткость воды. Временной ее называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО3. Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь.
Применение кальция и его соединений
Металлический кальций применяют для металлотермического получения урана, тория, титана, циркония, цезия и рубидия.
Природные соединения кальция широко используют в производстве вяжущих материалов (цемент, гипс, известь и др.). Связывающее действие гашеной извести основано на том, что с течением времени гидроксид кальция реагирует с углекислым газом воздуха. В результате протекающей реакции образуются игольчатые кристаллы кальцита СаСОз, которые прорастают в расположенные рядом камни, кирпичи, другие строительные материалы и как бы сваривают их в единое целое. Кристаллический карбонат кальция — мрамор — прекрасный отделочный материал. Мел используют для побелки. Большие количества известняка расходуются при производстве чугуна, так как позволяют перевести тугоплавкие примеси железной руды (например, кварц SiO2) в сравнительно легкоплавкие шлаки.
В качестве дезинфицирующего средства очень эффективна хлорная известь — «хлорка» Ca(OCl)Cl — смешанный хлорид и гипохлорид кальция, обладающий высокой окислительной способностью.
Широко применяется и сульфат кальция, существующий как в виде безводного соединения, так и в виде кристаллогидратов — так называемого «полуводного» сульфата — алебастра CaSO4·0,5H2O и двухводного сульфата — гипса CaSO4·2H2O. Гипс широко используют в строительстве, в скульптуре, для изготовления лепнины и различных художественных изделий. Применяют гипс и в медицине для фиксации костей при переломах.
Хлорид кальция CaCl2 используют наряду с поваренной солью для борьбы с оледенением дорожных покрытий. Фторид кальция СаF2 — прекрасный оптический материал.
Кальций в организме
Кальций — биогенный элемент, постоянно присутствующий в тканях растений и животных. Важный компонент минерального обмена животных и человека и минерального питания растений, кальций выполняет в организме разнообразные функции. В составе апатита, а также сульфата и карбоната кальций образует минеральный компонент костной ткани. В организме человека массой 70 кг содержится около 1 кг кальция. Кальций участвует в работе ионных каналов, осуществляющих транспорт веществ через биологические мембраны, в передаче нервного импульса, в процессах свертывания крови и оплодотворения. Регулируют обмен кальция в организме кальциферолы (витамин D). Недостаток или избыток кальция приводит к различным заболеваниям — рахиту, кальцинозу и др. Поэтому пища человека должна в нужных количествах содержать соединения кальция (800-1500 мг кальция в сутки). Содержание кальция высоко в молочных продуктах (таких, как творог, сыр, молоко), в некоторых овощах и других продуктах питания. Препараты кальция широко используются в медицине.
3.2 Магний
Магний (лат. Magnesium), Mg (читается «магний»), химический элемент IIА группы третьего периода периодической системы Менделеева, атомный номер 12, атомная масса 24,305. Природный магний состоит из трех стабильных нуклидов: 24Mg (78,60% по массе), 25Mg (10,11%) и 26Mg (11,29%). Электронная конфигурация нейтрального атома 1s 2 2s 2 p 6 3s 2, согласно которой магний в стабильных соединениях двухвалентен (степень окисления +2). Простое вещество магний — легкий, серебристо-белый блестящий металл.
Нахождение в природе
Магний — один из десяти наиболее распространенных элементов земной коры. В ней содержится 2,35% магния по массе. Из-за высокой химической активности в свободном виде магний не встречается, а входит в состав множества минералов — силикатов, алюмосиликатов, карбонатов, хлоридов, сульфатов и др. Так, магний содержат широко распространенные силикаты оливин (Mg,Fe)2[SiO4] и серпентин Mg6(OH)8[Si4O10]. Важное практическое значение имеют такие магнийсодержащие минералы, как асбест, магнезит, доломит MgCO3·CaCO3, бишофит MgCl2·6H2O, карналлит KCl·MgCl2·6H2O, эпсомит MgSO4·7H2O, каинит KCl·MgSO4·3H2O, астраханит Na2SO4·MgSO4·4H2O и др. Магний содержится в морской воде (4% Mg в сухом остатке), в природных рассолах, во многих подземных водах.
Физические и химические свойства
Металлический магний обладает гексагональной кристаллической решеткой. Температура плавления 650°C, температура кипения 1105°C, плотность 1,74 г/см3 (магний — очень легкий металл, легче только кальций и щелочные металлы). Стандартный электродный потенциал магния Mg/Mg2+ –2,37В. В ряду стандартных потенциалов он расположен за натрием перед алюминием.
Поверхность магния покрыта плотной пленкой оксида MgO, при обычных условиях надежно защищающей металл от дальнейшего разрушения. Только при нагревании металла до температуры выше примерно 600°C он загорается на воздухе. Горит магний с испусканием яркого света, по спектральному составу близкого к солнечному. Поэтому раньше фотографы при недостаточной освещенности проводили съемку в свете горящей ленты магния. При горении магния на воздухе образуется рыхлый белый порошок оксида магния MgO:
2Mg + O2 = 2MgO.
Одновременно с оксидом образуется и нитрид магния Mg3N2:
3Mg + N2 = Mg3N2.
C холодной водой магний не реагирует (или, точнее, реагирует, но крайне медленно), а с горячей водой он вступает во взаимодействие, причем образуется рыхлый белый осадок гидроксида магния Mg(OH)2:
Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2.
Если ленту магния поджечь и опустить в стакан с водой, то горение металла продолжается. При этом выделяющийся при взаимодействии магния с водой водород немедленно загорается на воздухе. Горение магния продолжается и в атмосфере углекислого газа:
2Mg + CO2 = 2MgO + C.
Способность магния гореть как в воде, так и в атмосфере углекислого газа существенно усложняет тушение пожаров, при которых горят конструкции из магния или его сплавов.
Оксид магния MgO представляет собой белый рыхлый порошок, не реагирующий с водой. Раньше его называли жженой магнезией или просто магнезией. Этот оксид обладает основными свойствами, он реагирует с различными кислотами, например:
MgO + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O.
Отвечающее этому оксиду основание Mg(OH)2 — средней силы, но в воде практически нерастворимо. Его можно получить, например, добавляя щелочь к раствору какой-либо соли магния:
2NaOH + MgSO4 = Mg(OH)2 + Na2SO4.
Так как оксид магния MgO при взаимодействии с водой щелочей не образует, а основание магния Mg(OH)2 щелочными свойствами не обладает, магний, в отличие от своих «согруппников» — кальция, стронция и бария, не относится к числу щелочноземельных металлов.
Металлический магний при комнатной температуре реагирует с галогенами, например, с бромом:
Mg + Br2 = MgBr2.
При нагревании магний вступает во взаимодействие с серой, давая сульфид магния:
Mg + S = MgS.
Если в инертной атмосфере прокаливать смесь магния и кокса, то образуется карбид магния состава Mg2C3 (следует отметить, что ближайший сосед магния по группе — кальций — в аналогичных условиях образует карбид состава СаС2). При разложении карбида магния водой образуется гомолог ацетилена — пропин С3Н4:
Mg2C3 + 4Н2О = 2Mg(OH)2 + С3Н4.
Поэтому Mg2C3 можно назвать пропиленидом магния.
В поведении магния есть черты сходства с поведением щелочного металла лития (пример диагонального сходства элементов в таблице Менделеева). Так, магний, как и литий, реагирует с азотом (реакция магния с азотом протекает при нагревании), в результате образуется нитрид магния:
3Mg + N2= Mg3N2.
Как и нитрид лития, нитрид магния легко разлагается водой:
Mg3N2 + 6Н2О = 3Mg(ОН)2 + 2NН3.
Сходство с литием проявляется у магния и в том, что его карбонат MgCO3 и фосфат Mg3(PO4)2 в воде плохо растворимы, как и соответствующие соли лития.
С кальцием магний сближает то, что присутствие в воде растворимых гидрокарбонатов этих элементов обусловливает жесткость воды. Как и в случае гидрокарбоната кальция (см. ст. Кальций), жесткость, вызванная гидрокарбонатом магния Mg(HCO3)2, — временная. При кипячении гидрокарбонат магния Mg(HCO3)2 разлагается и в осадок выпадает его основной карбонат — гидроксокарбонат магния (MgOH)2CO3:
2Mg(HCO3)2 = (MgOH)2CO3 + 3CO2 + Н2О.
Практическое применение до сих пор имеет перхлорат магния Mg(ClO4)2, энергично взаимодействующий с парами воды, хорошо осушающий воздух или другой газ, проходящий через его слой. При этом образуется прочный кристаллогидрат Mg(ClO4)2·6Н2О. Это вещество можно вновь обезводить, нагревая в вакууме при температуре около 300°C. За свойства осушителя перхлорат магния получил название «ангидрон».
Большое значение в органической химии имеют магнийорганические соединения, содержащие связь Mg—C. Особенно важную роль среди них играет так называемый реактив Гриньяра — соединения магния общей формулы RMgHal, где R — органический радикал, а Hal = Cl, Br или I. Эти соединения образуются в эфирных растворах при взаимодействии магния и соответствующего органического галоида RHal и используются для самых разнообразных синтезов.
Применение
Основная часть добываемого магния используется для получения различных легких магниевых сплавов. В состав этих сплавов, кроме магния, входят, как правило, алюминий, цинк, цирконий. Такие сплавы достаточно прочны и находят применение в самолетостроении, приборостроении и для других целей.
Высокая химическая активность металлического магния позволяет использовать его при магниетермическом получении таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, уран и др. При этом магний реагирует с оксидом или фторидом получаемого металла, например:
2Mg + TiO2 = 2MgO + Ti.
2Mg + UF4 = 2MgF2 + U.
Широкое применение находят многие соединения магния, особенно его оксид, карбонат и сульфат.
Магний широко используют в медицине: служит надежным слабительным. Чистый оксид магния (жженая магнезия) применяется при повышенной кислотности желудочного сока, изжоге, отравлении кислотами. Пероксид магния – известное дезинфицирующее средство при желудочных расстройствах.
Статистика утверждает, что у жителей районов с более теплым климатом спазмы кровеносных сосудов встречаются реже, чем у северян. Известно, что внутривенные и внутримышечные вливания растворов некоторых солей магния снимают спазмы и судороги. Накопить в организме необходимый запас этих солей помогают фрукты и овощи (особенно богаты магнием абрикосы, персики, цветная капуста). В Азии, например, где пищевой рацион богаче магнием, атеросклероз и другие сердечные заболевания встречаются реже, чем в Европе или США. Английские врачи рекомендуют съедать ежедневно по четыре банана, чтобы покрывать примерно половину суточной потребности организма в магнии (она составляет 0,3-0,5 грамма).
У нервных, легко возбудимых людей нарушения работы сердечных мышц наблюдается значительно чаще чем, у спокойных. Это объясняется тем, что в момент раздражения магний, содержащийся в организме, «сгорает».
Французские биологи считают, что этот элемент поможет медикам и в борьбе с таким серьезным недугом хх века, как переутомление. Исследования показали. Что в крови уставших людей содержится меньше магния, чем у людей полных сил, а даже самые ничтожные отклонения «магниевой кривой» от нормы не проходят бесследно.
Биологи Франции установили любопытное влияние ряда элементов на пол потомства. Оказывается, избыток калия в пище матери приводит к тому, что у нее рождается потомство преимущественно мужского пола. Если же пища насыщена кальцием и магнием, то в потомстве преобладает женский пол. Возможно, уже вскоре для будущих матерей врачи разработают специальные меню, гарантирующие рождение мальчика или девочки «по заказу». Но прежде нужно будет уточнить, распространяется ли подмеченное влияние этих элементов на человека: ведь описанные наблюдения относятся к … коровам.
Биологическая роль магния
Магний — биогенный элемент, постоянно присутствующий в тканях всех организмов. Он входит в состав молекулы зеленого пигмента растений — хлорофилла, участвует в минеральном обмене, активирует ферментные процессы в организме, повышает засухоустойчивость растений. С участием ионов Mg+ осуществляется биолюминесценция и ряд других биологических процессов. Широкое практическое применение находят магниевые удобрения — доломитовая мука, жженая магнезия и др.
В организм животных и человека магний поступает с пищей. Суточная потребность человека в магнии — 0,3-0,5 г. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 19 г магния. Нарушения обмена магния приводят к различным заболеваниям. В медицине применяют препараты магния — его сульфат, карбонат, жженую магнезию.
3.3 Железо
Железо (лат. Ferrum), Fe (читается «феррум»), химический элемент, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Происхождение как латинского, так и русского названий элемента однозначно не установлено. Природное железо представляет собой смесь четырех нуклидов с массовыми числами 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3 s 2 p 6 d 6 4s 2. Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.
В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят также кобальт и никель. Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.
Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe2+ — 0,080 нм, иона Fe3+ — 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1,8.
Железо высокой чистоты — это блестящий серебристо-серый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механической обработки.
Нахождение в природе
В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1% массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красные железняки (руда гематит, Fe2O3; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe3О4; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO2· nH2O), а также шпатовые железняки (руда сидерит, карбонат железа, FeСО3; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита FeS2 (другие названия — серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10-5—1·10-8% железа.
История получения железа
Железо играло и играет исключительную роль в материальной истории человечества. Первое металлическое железо, попавшее в руки человека, имело, вероятно, метеоритное происхождение. Руды железа широко распространены и часто встречаются даже на поверхности Земли, но самородное железо на поверхности крайне редко. Вероятно, еще несколько тысяч лет назад человек заметил, что после горения костра в некоторых случаях наблюдается образование железа из тех кусков руды, которые случайно оказались в костре. При горении костра восстановление железа из руды происходит за счет реакции руды как непосредственно с углем, так и с образующимся при горении оксидом углерода (II) СО. Возможность получения железа из руд существенно облегчило обнаружение того факта, что при нагревании руды с углем возникает металл, который далее можно дополнительно очистить при ковке. Получение железа из руды с помощью сыродутного процесса было изобретено в Западной Азии во 2-м тыс. до н. э. Период с 9-7 века до нашей эры, когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил название железного века, пришедшего на смену бронзовому веку. Усовершенствование способов дутья (естественную тягу сменили меха) и увеличение высоты горна (появились низкошахтные печи — домницы) привело к получению чугуна, который стали широко выплавлять в Западной Европе с 14 века. Полученный чугун переделывали в сталь. С середины 18 века в доменном процессе вместо древесного угля начали использовать каменно-угольный кокс. В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства — домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.
Физические и химические свойства
При температурах от комнатной и до 917 °C, а также в интервале температур 1394-1535°C существует -Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394°C устойчиво -Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769 °C (так называемая точка Кюри) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное -Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917°C, рассматривают как -модификацию железа, а -Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535°C), называют по традиции -Fe (представления о существовании четырех модификаций железа — , , и — возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535 °C, температура кипения 2750°C, плотность 7,87 г/см3. Стандартный потенциал пары Fe2+/Fe0 –0,447В, пары Fe3+/Fe2+ +0,771В.
При хранении на воздухе при температуре до 200°C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe2О3·хН2О.
С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe2О3, при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe3О4. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.
Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl3. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr3. При нагревании FeСl3 и, особенно, FeBr3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe3I8.
При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe3N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe2P и Fe3P, с углеродом, образуя карбид Fe3C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.
При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава [Fe(-C5H5)2].
Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.
С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2
При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):
2Fe + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O
Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)2. Оксид железа (III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)2, основание Fe(ОН)3, которое реагирует с кислотами:
2Fe(ОН)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O
Гидроксид железа (III) Fe(ОН)3 проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:
Fe(ОН)3 + КОН = К[Fe(ОН)4]
Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа (III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)3.
Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:
Fe + 2FeCl3 = 3FeCl2
При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):
4FeCl2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)Cl2
Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа(II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2О.
Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2 — железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 — железоаммонийные квасцы и т.д.
При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) — ферраты, например, феррат (VI) калия K2FeO4. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).
Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe3+ с тиоцианат-ионами CNS-. При взаимодействии ионов Fe3+ с анионами CNS- образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)3. Другим реактивом на ионы Fe3+ служит гексацианоферрат (II) калия K4[Fe(CN)6] (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4- выпадает ярко-синий осадок.
Реактивом на ионы Fe2+ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6], ранее называвшийся красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]3- выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4-.
Применение железа, его сплавов и соединений
Чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа — чугун и сталь — составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.
Железо в организме
Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа — участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железа выполняет в составе сложных белков — гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс — гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина, осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови — около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.