Справочник автора/Таблица Менделеева

Материал из Posmotre.li
Перейти к: навигация, поиск

Таблица Менделеева (а если полностью, то Периодическая система элементов Д. И. Менделеева) — могущественный символ «науки вообще» и неизменный атрибут средней школы. А ещё там столько разных красивых названий для прикладного флеботинума! Лантан, прометий, криптон, рутений… Авторы фантастики (особенно настолько мягкой, что даже жидкой — например, «научного фэнтези» или супергеройских комиксов) обожают заимствовать эти названия для своих очередных зелёных камушков.

Так вот, эта статья посвящена химическим элементам (в основном, металлам), тому, что они из себя представляют, что они умеют, чего не умеют и как не опростоволоситься, назвав свой вымышленный твёрдый и неуязвимый металл названием металла мягкого и горящего на воздухе.

Что такое химический элемент[править]

Химический элемент — это базовый кирпичик химии, разновидность атомов с определёнными свойствами. Все вещества состоят из химических элементов. Простое вещество состоит из атомов только одного элемента, сложное (соединение) — из нескольких. Соединение отличается от смеси или сплава тем, что в нём атомы разных элементов соединены в молекулы, а не навалены по отдельности вперемешку (впрочем, бывают сплавы-соединения или сплавы, представляющие собой смесь металла и соединения).

Атомы химических элементов отличаются друг от друга количеством протонов в ядре (и соответствующим ему количеством электронов в оболочках). У атомов одного и того же элемента могут быть разные ядра, отличающиеся количеством нейтральных частиц — нейтронов. Эти разновидности элемента называются изотопами. Все изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства, а различаются они способностью к ядерным реакциям (радиоактивному распаду, делению, синтезу). Изотопы различаются также физическими свойствами, что используется для их разделения. Ядерные реакции — это превращения одного элемента в другой. Химические реакции — это пересборка молекул из одних и тех же элементов в другие сочетания.

Большинство изотопов радиоактивны, но у большинства элементов имеется как минимум один-два нерадиоактивных изотопа, которые в подавляющем большинстве и встречаются в природе. Если все возможные изотопы элемента радиоактивны, то радиоактивным называется и сам элемент. Все элементы тяжелее висмута радиоактивны; из элементов легче висмута радиоактивны только два, технеций и прометий.

Металлы и неметаллы[править]

В фантастике и фэнтези металл — это материал блестящий, всегда прочный, из которого всегда можно ковать мечи или штамповать броню для звездолёта. В реальности металл — это элемент, атомы которого более склонны отдавать электроны, чем их принимать, отчего в простом веществе — металле — всегда есть свободно бродящие, как куры в деревне, электроны (чем и объясняется блеск и электропроводность металлов). Неметаллы этим свойством не отличаются; они куда более разнообразны, могут иметь вид кристаллов, порошка, жидкости (бром), газа. Есть ещё полуметаллы, например, сурьма, германий, полоний; они представляют собой что-то среднее, металл, но не совсем. Например, они обычно не куются, и ток проводят по-особому (являются полупроводниками).

Так вот, в описании металлов ни разу не сказано, что из них получаются хорошие мечи. Из большинства металлов, фактически, мечи получаются просто отвратительные. Есть металлы, мягкие, как пластилин, горящие на воздухе, реагирующие с водой. При рассмотрении отдельных групп элементов это будет указано.

Что могут элементы и чего они не могут[править]

В первую очередь, элементы не могут выделывать эффектных штучек, подрывающих известные со школы законы физики. Ни один элемент, не важно, насколько экзотично его название, не может искривлять пространство и тирьямпампировать звёздные корабли. Ни один элемент не может падать вверх. Не могут они и придавать человеку способности к телекинезу, бить злыми синими молниями или заставлять отскакивать любой урон. Некоторые из этих фокусов невозможны в принципе; некоторые теоретически возможны, но для них нужно не обычное вещество из атомов, а экзотическая материя, у которой совсем другая природа.

Во вторую очередь, элементы не могут вытворять биологические фокусы. Основная масса организма и большинство его молекул построена из четырех элементов — углерода, водорода, кислорода и азота. Необычными биологическими эффектами могут обладать новые, неизвестные ранее соединения четырёх вышеупомянутых элементов (к которым, возможно, в хвост прицеплены атомы каких-нибудь металлов, например, магния или железа — но главное всё-таки органика, хотя не стоит забывать, что напр. в цитохромах окисляется/восстанавливается именно атом металла, а не держащая его на месте органическая молекула (по сути гигантский лиганд)), но никаких других.

Элементы могут обладать необычными физическими свойствами — в пределах того, что вы знаете со школы. Например, демонстрировать очень высокую проводимость (серебро), тугоплавкость (вольфрам), подъёмную архимедову силу в азотно-кислородной атмосфере (водород; в более плотной атмосфере можно попробовать представить себе и дирижабли, наполненные, скажем, азотом). Элементы могут обладать необычными химическими свойствами — например, высокой реакционной способностью (фтор), или, наоборот, инертностью (гелий). Элементы, точнее, их специфические изотопы, могут обладать необычными ядерными свойствами — способностью к делению (уран-235), синтезу (гелий-3), экранированию радиации (свинец).

Можно ли придумать новый элемент?[править]

И да, и нет. Теоретически, есть область в таблице Менделеева, которая ещё не исследована — это сверхтяжёлые элементы (с атомным номером от 110). Это очень нестойкие радиоактивные тяжёлые металлы, но по крайней мере одна из теорий допускает у них существование неоткрытых пока изотопов, способных существовать продолжительное время. У этих элементов могут быть необычные ядерные или химические свойства, в пределах разумного, но все они радиоактивны, в природе не встречаются (разве что в свежих туманностях сверхновых) и на чудеса из предыдущего раздела способны не более, чем какие-либо иные.

Что же касается новых нерадиоактивных (стабильных) элементов, то придумать новый такой элемент не более реально, чем придумать новое натуральное число от 1 до 10. Серьёзно: если хотите придумать прикладной флеботинум на ровном месте — не позорьтесь. Делайте его сплавом, соединением (лучше — органическим и высокомолекулярным), наноматериалом, но не элементом.

То же касается и несложных соединений (например, газов). Помните закон Авогадро: один моль газа — 22,4 литра? Это значит: плотность газа пропорциональна молярной массе, и все газы — низкомолекулярные соединения двух-трёх элементов либо простые вещества. Поэтому, если вы выдумали планету, где из земли бьют неземные, неизвестные науке газы — со спокойной совестью переделывайте всё описание планеты с нуля (ну, разве что температура будет такая, что трасурановые элементы будут обращаться в пар, то есть переходить в газообразное состояние).

Редкие и рассеянные элементы[править]

Многие элементы малоизвестны, а названия их звучат экзотично. Например, много ли вы слышали о лантане, родии, протактинии, индии? Думаю, что очень и очень немного. Причины тому может быть две: элемент может быть редким или рассеянным.

Редкий элемент — это значит, его объективно мало. Редкие элементы образуются в звёздных термоядерных реакциях в мизерных количествах, потому что или все их изотопы при звёздных температурах неустойчивы, или не существует термоядерных реакций, способных поддерживать звёзды и производить эти элементы. В основном это элементы тяжелее железа, которые образуются только при взрывах сверхновых. Некоторые редкие элементы радиоактивны и быстро распадаются (например, радий; единственная причина, по которой он встречается в природе — так это то, что он воспроизводится при распаде урана).

Рассеянный элемент — это значит, что его, может быть, и не мало, но такие уж у него химические свойства, что в земной коре он не концентрируется в специфических минералах, а встречается повсюду понемножку, в виде примеси. Поэтому концентрировать и выделять рассеянные элементы порой сложнее, чем некоторые редкие.

Наконец, есть ещё такая штука, как редкоземельные элементы. Многие думают, что это то же, что редкие. На самом деле это название одной конкретной подгруппы элементов — лантаноидов. Это металлы третьей группы со схожими свойствами; при этом они и редки, и рассеяны.

Группы, подгруппы элементов и их интересные свойства[править]

Щелочные и щелочноземельные металлы[править]

Главная подгруппа первой группы и большая часть главной подгруппы второй группы. Литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций, кальций, стронций, барий, радий. Свойства этих металлов очень схожи: все они мягкие, легкоплавкие, реагируют с водой (вытесняют водород и образуют едкие щёлочи), легко горят на воздухе (рубидий и цезий — самовоспламеняются).

На щелочноземельные металлы похожи и некоторые другие элементы из третьей группы (например, некоторые лантаноиды реагируют с водой, а таллий, из главной подгруппы третьей группы, образует щёлочь — едкий таллий). Магний иногда относится к щелочноземельным, а иногда к лёгким металлам — он очень слабо реагирует с водой, зато горит ярким и горячим пламенем.

Лёгкие металлы[править]

Верхушка главной подгруппы второй и третьей групп: бериллий, магний и алюминий. Они активны, но под защитой: на воздухе они покрываются тонкой плёнкой оксидов, благодаря которой не реагируют ни с водой, ни с воздухом. Они легкие и достаточно прочные, хотя и мягче металлов группы железа; чаще всего их используют как компоненты лёгких сплавов.

Также к лёгким металлам обычно относят титан (он из побочной подгруппы четвёртой группы). Титан (а точнее — его сплавы) очень прочный и относительно лёгкий серебристый металл, он по свойствам похож на мифрил Толкина.

Общее свойство всех лёгких металлов — это то, что сырьё для их получения найти нетрудно, а вот чтобы выделить сами металлы, нужен электролиз (по этой причине до XIX века человечество легких металлов не знало). Выплавить их примитивными способами, в домнах или горнах, невозможно: они слишком реакционноспособны.

Бериллий — единственный ядовитый лёгкий металл, растворимые соединения его более ядовиты, чем у свинца, и почти так же, как у ртути. Это ограничивает применение бериллия в промышленности относительно безопасными сплавами с невысоким его содержанием.

Металлы группы железа[править]

Побочная подгруппа восьмой группы, точнее её верхняя, лёгкая часть: железо, кобальт, никель. Средней тяжести, прочные, образуют прочные сплавы. Все три являются ферромагнетиками. Железо — наиболее известный металл, крепкий середнячок, по которому судят все остальные. Оно же — единственный металл своей группы, в больших количествах присутствующий в земной коре; два других сконцентрированы в ядре, а в коре их мало.

Платиновые металлы[править]

Тяжёлая часть все той же побочной подгруппы восьмой группы. Редкие, драгоценные металлы, очень малоактивные: рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина. Из них примечательны:

  • Платина и палладий — используются, кроме прочего, в ювелирном деле, так как и драгоценны, и красивы, и не поддаются коррозии, и «раскручены».
  • Осмий и иридий — самые плотные и тяжёлые металлы, при этом твёрдые и тугоплавкие. Подходят как материалы для кувалды какого-нибудь супергероя-силача. Осмий легче других платиновых металлов окисляется кислородом (особенно осмий в порошковой форме). Оксид летуч, вонюч и ядовит. Иридий таким свойством не обладает: это во всех отношениях «вечный» металл. Иридий интересен ещё и тем, что когда-то был дороже золота и платины; он мог бы и поныне быть королём всех драгоценных металлов, но цены на золото и платину оказались искусственно взвинчены их статусом «официальных» драгметаллов, хотя они и более распространены в природе, чем иридий.

Металлы группы меди[править]

Побочная подгруппа первой группы. Эти металлы — первые, известные человечеству, так как встречаются либо в самородном состоянии, либо в виде очень лёгких в обработке руд. Нижняя часть группы меди, как и группы железа, драгоценна: туда относятся серебро и золото.

Переходные металлы[править]

В широком смысле переходные металлы — это все металлы из побочных подгрупп. Но в данной статье для большинства из них выделены отдельные категории, поэтому только как переходные охарактеризованы металлы легче железа из побочных подгрупп: уже рассмотренный нами титан, а ещё ванадий, хром и марганец.

Ванадий, хром и марганец сами по себе не применяются, их используют как добавки к сплавам на основе металлов группы железа, чтобы изменить их свойства. Хром также используется как покрытие, для придания другим металлам красивого серебристо-зеркального блеска.

Тяжёлые металлы[править]

Металлы тяжелее железа из всех остальных групп, кроме лантаноидов и радиоактивных. Самые известные из тяжёлых металлов — цинк, олово, ртуть, свинец и вольфрам (последний примечателен тем, что нет металла более тугоплавкого; из него делают спирали для лампочек накаливания). Прочие тяжёлые металлы — в основном редкие и рассеянные. Почти все тяжёлые металлы ядовиты в виде соединений, некоторые (ртуть и свинец) — ядовиты и в свободном виде. Для сравнения: из лёгких металлов ядовит только бериллий, и то только в чистом виде или некоторых соединениях. К примеру, в бериллах бериллий полностью безопасный.

Тяжёлый металл висмут интересен тем, что почти не ядовит. Поэтому некоторые используют его как «экологически чистый» заменитель свинца для изготовления боеприпасов, а в медицине его соли принимаются внутрь для лечения болезней желудочно-кишечного тракта. Также висмут — самый тяжелый нерадиоактивный металл (на самом деле он радиоактивен, но очень, очень слабо, на уровне «сто лет — одна альфа-частица», поэтому совершенно безопасен и считается стабильным).

Необычными научно-фантастическими свойствами обладает тяжёлый металл гафний. У него, кроме изотопов, существуют ещё и ядерные изомеры — то есть по-разному устроенные ядра из одного количества частиц. Возбуждённый изомер гафния теоретически может быть использован как супер-аккумулятор энергии для бластеров и лазерных пушек — но это будет тогда, когда человечество научится контролировать превращение изомеров друг в друга. Пока что это нереально.

А вот переходный металл технеций, не имеющий стабильных изотопов, уже используется и таким образом — он рождается в реакторе в виде возбуждённого изомера и в ходе работы с ним безвозвратно переходит в невозбуждённый изомер, выполнив свою первую и последнюю задачу. Остаётся только вздохнуть и «нацедить» свежего… для этого обычно применяются мини-«реакторы», они же медицинские генераторы технеция. В них соответствующий изотоп молибдена непрерывно распадается, давая постоянный приток «свежатинки».

Лантаноиды[править]

Они же редкоземельные металлы. По причине хитрозакрученного строения электронных оболочек все они втиснуты в одну клетку — в побочной подгруппе третьей группы, и очень похожи по свойствам. Иногда к редкоземельным также относят скандий и иттрий, разместившиеся в той же побочной подгруппе, но в других клетках. Все они редкие и рассеянные, в чистом виде почти нигде не применяются — только в виде присадок к некоторым экзотическим сплавам или стёклам. Наиболее известен из лантаноидов неодим: его сплавы идут на изготовление суперсверхархисильных магнитов.

Актиноиды[править]

Тоже, как и лантаноиды, втиснуты в одну клетку, при этом очень тяжёлые и радиоактивные. Самые известные актиноиды — торий, уран и плутоний — славны своей способностью деления ядер, отчего и могут быть использованы как топливо для ядерных реакторов или как ядерная взрывчатка. Другие актиноиды — т. н. трансурановые, например кюрий или калифорний — тоже могут обладать схожими свойствами, но меньшей критической массой, и использоваться для маленьких, особо компактных ядерных боеприпасов — например, для диверсантов или для артснарядов. Делящиеся трансурановые — также хороший кандидат на роль супербатареек для бластеров. Проблема в том, что в природе их нет, а получать их с помощью ядерных реакций крайне дорого. Так что не забывайте хорошие обоснуи и не злоупотребляйте калифорниевыми пулями в реалистично-шпионском сеттинге. Всё человечество хорошо если одну такую пулю совокупно осилит, если «по приколу» решит напрячься и сделать.

В Советском Союзе был проект производства калифорниевых пуль, который не взлетел дальше теоретической стадии. Пули оказались совершенно непрактичными: например, хранить их нужно было в холодильнике, так как они имели свойство саморазогреваться и воспламенять порох.

У первых актиноидов наблюдаются «квази-группы», то есть они проявляют себя схоже с элементами побочных подгрупп последующих групп: актиний трёхвалентный, торий четырёхвалентный, протактиний — пяти-, уран — шести-, нептуний — семивалентный. Начиная с плутония, закон нарушается, а с америция и далее актиноиды похожи на лантаноиды, проявляя валентность 3 и степень окисления +3.

Сверхтяжёлые металлы (трансактиноиды)[править]

Это очень нестойкие радиоактивные тяжёлые металлы, период полураспада которых — минуты или секунды, и до сих пор их не удавалось получить в количестве более нанограмм, но по крайней мере одна из теорий допускает у них существование неоткрытых пока изотопов, способных существовать продолжительное время. Это так называемая теория острова стабильности, согласно которой некоторые, до сих пор не полученные изотопы элементов с 110 по 115 могут быть более стабильны и получены в осязаемых количествах.

У этих элементов могут быть необычные ядерные или химические свойства, в пределах разумного, но все они радиоактивны и в природе не встречаются, потому что давно уже распались (разве что в свежих туманностях сверхновых).

Физические свойства сверхтяжёлых металлов мало изучены, потому что они получены только в микроколичествах. Однако как минимум несколько сверхтяжёлых металлов, полученных в количестве нанограмм, а не отдельных атомов, отличаются удивительными физическими свойствами. Во-первых, они сверхтяжёлые в бытовом смысле: тяжелее осмия и иридия. Во-вторых, среди них есть жидкие, как ртуть, и, предположительно, даже один газообразный металл.

А бывают ли сверхтяжёлые неметаллы? Бывает, одна штука: оганессон (элемент 118), сверхтяжёлый благородный газ (возможно, он на самом деле благородная жидкость). Все сверхтяжёлые элементы из других привычных неметаллических групп — галоген теннессин, халькоген ливерморий — по всем расчётам внезапно металлы.

Полуметаллы[править]

Прослойка между металлами и неметаллами, обладают некоторыми свойствами тех и других. Внешне полуметаллы выглядят примерно одинаково, как серые, хрупкие блестящие кристаллы. Сюда относятся бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма, селен, теллур, полоний и астат. Иногда (редко) к ним относят ещё и углерод. Как видите, полуметаллы протянулись по главным подгруппам разных групп по диагонали, из левого верхнего угла в правый нижний.

Полуметаллы и многие их соединения — полупроводники; это значит, что у них специфическая форма проводимости, с помощью которой легко управлять электротоком, перенаправлять его, пропускать только в одну сторону, усиливать и делать с ним много разных интересных штук. На полупроводниках основана вся компьютерная техника. Фишка их в том, что у них нет нормальных свободнобродячих электронов, но можно подбросить легирующие примеси, создающие или избыток их, или дефицит, когда атомы «в долг» друг у друга таскают с оболочек несчастный электрон (такая плавающая дырка тоже позволяет течь току, ведь она ведёт себя как виртуальный позитрон). Естественно, на стыке разных вариантов возникают интересные эффекты, например, если приложить «минус» к полупроводнику с избытком электронов, он может так «прыснуть» ими в соседний кусок с дефицитом, что покроет его с избытком. В результате там появится возможность течь более сильному току от более мощного источника. Или можно электростатически притянуть электроны туда, где их маловато, или оттолкнуть оттуда, где их не надо. И то, и другое изменит проводимость полупроводника.

Органические элементы[править]

Итак, перейдем к неметаллам. Наиболее важные неметаллы — это CHON-элементы, или органические элементы (органогены): углерод, водород, кислород, азот. Из них состоишь ты, да, ты, что сидишь за компьютером — а также всё остальное живое на Земле. Примечательны эти элементы (особенно углерод) огромным разнообразием соединений, в которые они могут соединяться: целый раздел химии, органическая химия, посвящен именно соединениям углерода (некоторые простейшие соединения углерода — углекислый и угарный газы, угольная кислота, циановодород, карбиды и карбонилы металлов, цианаты, изоцианаты, сероуглерод, роданиды, нитрид углерода, дициан — не считаются органическими). Они также принадлежат к числу наиболее распространённых элементов во Вселенной, потому что водород — простейший и древнейший из элементов, возникший сразу после того, как Вселенная достаточно остыла после Большого взрыва, а три других образуются в важнейших звёздных реакциях — горении красных гигантов, через которое проходит большинство классов звёзд. Они же — 4 из 6 самых распространенных элементов во вселенной (еще два — гелий и неон). Поэтому есть все основания считать, что жизнь на других планетах состоит из них же и ни из каких иных элементов.

Сами по себе эти элементы таковы: водород — очень лёгкий горючий газ, при гигантских давлениях (напр. внутри Юпитера) ведёт себя как жидкий металл; углерод — имеет несколько форм (чёрная сажа, алмаз, графит, графен и фуллерен); азот и кислород — бесцветные газы без запаха, из которых состоит воздух, которым мы дышим. Кислород, помимо всем известного газа, которым мы дышим, встречается также в виде озона — неустойчивого сине-фиолетового газа со свежим запахом, который по агрессивности, окислительной способности и ядовитости в высоких концентрациях уступает только фтору.

Сера и фосфор[править]

Твердые неметаллы, горючие, образуют кислоты. Оба имеют важную биологическую роль, но менее значительную, чем CHON-элементы. Соединения с водородом ядовиты и зловонны. Большинство других летучих соединений серы тоже воняют.

Галогены[править]

Наиболее ярко выраженные неметаллы, сильные окислители. Все галогены в форме чистого вещества и многие их соединения очень токсичны. Соединения галогенов с водородом — сильные кислоты, часто газы, растворимые в воде (йодоводород — сильнейшая из бескислородных кислот, хлорная кислота HClO4 — из кислородосодержащих). Всего их пять: фтор, хлор, бром, йод и астат.

Фтор — очень ядовитый газ жёлтого цвета с резким и удушливым запахом. Он и многие его соединения являются сильнейшими окислителями (попросту разъедающими дыхательные пути при вдыхании), т. е. окисляют и превращают в яд всё, включая кислород и, при определённых условиях, даже инертные газы. Особо выделяется трифторид хлора — газ, в котором горят бетон, вода и инженеры-испытатели.

Хлор — также ядовитый газ с резким и удушливым запахом, но уже зелёного цвета и не столь агрессивный. Может использоваться (и однажды использовался) в чистом виде как боевое отравляющее вещество. Примечателен тем, что с его помощью очищают воду на свету. Хлорная кислота — крайне сильный окислитель, растворяет даже металлы платиновой группы, но получается весьма нетривиально, хотите, чтобы на вашей планете били фонтаны из неё — Глинка вам в руки, думайте, как она там образовалась. Зато трихлорид азота вполне может образоваться сам там, где хлора много, а азота мало (например, в баллонах, в которых хранится этот самый хлор); он взрывается при нагреве, ударе или контакте с жирами.

Бром — красно-бурая жидкость, йод — серые с фиолетовым отблеском кристаллы, в растворе спирта становится коричневым и применяется как антисептик. Его пары также удушливы и ядовиты, с резким запахом. Астат — неустойчивый радиоактивный полуметалл.

У галогенов есть маленькая биологическая роль. Наибольшая — у хлора, который в желудке присутствует в виде соляной кислоты и образует кислую среду, а в крови в большом количестве — в виде растворённых солей, образуя среду нейтральную. Кроме того, йод входит в состав гормонов щитовидной железы. Поэтому млекопитающим необходимо потреблять поваренную соль (хлорид натрия). И желательно йодированную, чтобы не было зоба, кист щитовидной железы, а то и кретинизма.

Инертные (благородные) газы[править]

Противоположность галогенам — совершенно инертные элементы, не вступающие ни в какие или почти ни в какие реакции. Тяжёлые благородные газы (криптон, ксенон, радон) учёным удавалось разагитировать вступить в реакцию со фтором или кислородом. Лёгкие же (гелий, неон, аргон) встречаются исключительно в виде простых веществ. Это газы без цвета, без запаха. Ксенон в высоких концентрациях обладает наркотическим и усыпляющим действием, радон радиоактивен (следовательно, дышать им — плохая идея), прочие никакой биологической роли не играют.

Среди изотопов благородных газов особенно интересен гелий-3. Это настоящий прикладной флеботинум: он легко вступает в термоядерные реакции, как сам по себе, так и с изотопами водорода, при этом безопасен, как огурец: не горюч, не ядовит, не радиоактивен. Но на Земле его почти нет (зато есть на Луне, Меркурии и планетах-гигантах, что даёт стимул к освоению космоса).