3.5: Другий період Періодичної таблиці

Перший період таблиці Менделєєва - короткий, що складається всього з двох елементів, водню і гелію. Літій, атомний номер 3, починає другий період, який має 8 елементів. Елементи з атомними номерами 4-10, які завершують цей період, розглянуті в даному розділі.

Берилій, Атомний номер 4

Як і атоми всіх елементів у другому періоді таблиці Менделєєва, берилій, атомний номер 4, атомна маса 9.012, має 2 електрона внутрішньої оболонки. Берилій також має 2 електрони зовнішньої оболонки, тому його символом Льюїса є

Крім 4 протонів в своїх ядрах, атоми берилію також мають 5 нейтронів. Коли атом берилію окислюється, утворюючи катіон берилію, реакція

Be: → Be2+ + 2e- (втрачений іншому атому) (3.5.1)

Оскільки атом берилію повинен втратити 2 електрони, щоб досягти двоелектронної конфігурації гелієвих електронів, він виробляє подвійно заряджені катіони Be2+.

Берилій має деякі важливі застосування в металургії. Розплавлений разом з іншими металами, процес, який виробляє сплави, берилій дає металеві вироби, які є твердими і корозійно-стійкими. Берилієві сплави можуть бути змішані, які є хорошими електричними провідниками і не іскряться при ударі, що є важливою характеристикою в застосуваннях навколо легкозаймистих парів. Серед пристроїв, для яких берилієві сплави особливо корисні, є різні спеціальні пружини, вимикачі, невеликі електричні контакти. Берилій знайшов широке застосування в гальмівних компонентах літаків, де його дуже висока температура плавлення (близько 1290˚C) та хороші властивості поглинання тепла та провідності дуже вигідні.

У певному сенсі берилій є дещо протилежністю зеленому елементу. Це пов'язано з його несприятливими наслідками для здоров'я, включаючи бериліоз, захворювання, що відзначається погіршенням легенів. Через надзвичайну небезпеку вдихання Be допустимі рівні атмосфери дуже низькі. Багато робітників були професійно піддані впливу берилію як частина ядерних реакторів і збройової промисловості в США протягом десятиліть після Другої світової війни. На знак визнання несприятливих наслідків для здоров'я від професійного впливу берилію наприкінці 1990-х років уряд США погодився компенсувати працівникам, які страждають професійним впливом цього металу.

Бор, металоїд

Бор, В, атомний номер 5, атомна маса 10,81, складається переважно з ізотопу з 6 нейтронами на додаток до 5 протонів в його ядрі; менш поширений ізотоп має 5 нейтронів. Два електрони бору 5 знаходяться в гелієвому ядрі, а 3 - зовнішні електрони, що позначаються

Бор є першим прикладом елемента з властивостями, проміжними між властивостями металів і неметалів, які називаються металоїдами. Крім бору, до металоїдів відносяться кремній, германій, миш'як, сурма, телур, з яких найбільш помітний, кремній, входить в число перших 20 елементів. У елементарному стані металоїди мають блиск, як метали, але вони не легко утворюють прості катіони. На відміну від металів, які в цілому добре проводять електрику, металоїди зазвичай погано проводять електрику, якщо взагалі, але можуть стати провідниками при певних умовах. Такі матеріали називаються напівпровідниками і мають вирішальне значення, оскільки вони складають основу величезної світової напівпровідникової промисловості, яка подарувала нам невеликі, потужні комп'ютери та величезний масив інших електронних виробів.

Бор - це високоплавка речовина (2190˚C), яка легується міддю, алюмінієм та сталевими металами для поліпшення їх властивостей. Як хороший поглинач нейтронів бор використовується в керуючих стрижнях ядерного реактора і як нейтронно-поглинаюча добавка до води, яка циркулює через активну зону реактора в якості теплоносія. Нітрид бору, BN, надзвичайно твердий, як і деякі інші сполуки бору. Оксид бору, B2O3, є інгредієнтом теплоізоляційного скловолокна та борної кислоти, H3BO3, використовується як антипірен в целюлозній ізоляції в будинках.

Стихія життя, вуглець

Вуглець, С, атомний номер 6, підводить нас до середини другого періоду таблиці Менделєєва. На додаток до своїх 2 внутрішніх електронів, нейтральний атом вуглецю має 4 зовнішні електрони, як показано символом Льюїса

На малюнку 3.5 показано три органічні сполуки, що складаються лише з вуглецю та водню (вуглеводнів), кожна з яких містить 8 атомів вуглецю. Ці структури ілюструють склеювання різноманітності вуглецю.

Малюнок 3.5. Ілюстрація універсальності зв'язку вуглецю з трьома вуглеводневими сполуками, розташованими у вигляді прямих (суцільних) ланцюгів, розгалужених ланцюгів і в циклічній сполуці.

Здатність атомів вуглецю зв'язуватися між собою визначає властивості декількох важливих і корисних форм елементарного вуглецю. (Різні форми одного і того ж елемента називаються аллотропами.) Дуже дрібний вуглецевий порошок складається з сажі, яка використовується в шині, чорнилах та тонері принтера. Атоми вуглецю, пов'язані великими плоскими молекулами, складають графіт, настільки м'який і гладкий, що його використовують як мастило. Вуглець, оброблений парою або вуглекислим газом при підвищених температурах, розвиває пори, які надають вуглецю величезну площу поверхні. Цей продукт являє собою активоване вугілля, яке дуже корисно для очищення харчових продуктів, видалення органічних забруднюючих речовин з води та видалення парів забруднюючих речовин з повітря. Елементарні вуглецеві волокна скріплюються разом з епоксидними смолами для отримання легких композитів настільки міцних, що їх використовують для авіабудування. Скріплені між собою іншим способом, що дає дуже тверду і жорстку структуру, атоми вуглецю виробляють алмаз.

Особливо цікавим класом вуглецевих алотропів є фулерени, що складаються з елементарного вуглецю, пов'язаного в цілому 5- та 6-членні кільця, утворюючи сфери, еліпсоїди та трубки. Перший з цього класу елементарного вуглецю, виявлений лише в 1985 році, складається з агрегатів 60 атомів вуглецю, з'єднаних між собою в 5- та 6-членні кільця, що складають поверхню сфери. Ця споруда нагадує геодезичні куполи, розроблені як будівельні конструкції Бакмінстер Фуллер, прозорливий дизайнер. Тому першовідкривачі цієї форми вуглецю назвали його бакмінстерфуллереном, а кульки С60, які за своєю структурою нагадують футбольні м'ячі, прийнято називати «бакіболами». З моменту відкриття фулерену С60 було синтезовано багато споріднених форм, з яких найцікавішими можуть бути дуже вузькі вуглецеві трубки, звані вуглецевими нанотрубками. («Nano» - це префікс, який зазвичай призначається матеріалам, в яких окремі одиниці мають розміри близько 1 нанометра або 1 × 10-9 метрів.) Вуглецеві нанотрубки мають дуже цікаві властивості, включаючи деякі форми з надзвичайно великим співвідношенням довжини до діаметра до 132 000 000:1. Завдяки своїм унікальним розмірам, надзвичайній міцності, електричним властивостям та здатності ефективно проводити тепло, вуглецеві нанотрубки викликають інтенсивний інтерес у матеріалознавстві, нанотехнологіях, електроніці, оптиці та інших високотехнологічних додатках. Однак особливу увагу потрібно приділити їх потенційної токсичності.

Зелений вуглець з повітря

Вуглець присутній у повітрі у вигляді газоподібного вуглекислого газу, СО2. Хоча повітря становить всього близько 0,04% СО2 за обсягом, він служить джерелом вуглецю для росту зелених рослин. При цьому хлорофіл у рослин захоплює сонячну енергію у вигляді видимого світла, представленого h ν, і використовує її для перетворення атмосферного вуглекислого газу в високоенергетичний цукор глюкози, C6H12O6, як показано наступною реакцією:

\[\ce{6CO2 + 6H2O ->[h\nu] C6H12O6 + 6O2} \label{3.5.2}\]

Вуглець, закріплений у вигляді C6H12O6 і споріднені сполуки, забезпечує основу харчових ланцюгів, які підтримують всі організми. Органічний вуглець, отриманий шляхом фотосинтезу в еоні минулого, також забезпечував сировиною для утворення нафти, вугілля та інших викопних палив. Зараз, коли поставки цих дефіцитних ресурсів зменшуються, а екологічні витрати на їх видобуток, транспортування та використання зростають, значно поновлюється інтерес до фотосинтетично вироблених вуглецевих сполук як сировини та навіть палива. Незважаючи на низький рівень вуглекислого газу в атмосфері та відносно низьку ефективність фотосинтезу, швидко зростаючі рослини, такі як деякі сорти гібридних тополі, можуть дуже швидко та стійко виробляти величезну кількість вуглецевих сполук.

Азот з повітря

Азот, N, атомний номер 7, атомна маса 14.01, становить 78% за обсягом повітря у вигляді двоатомних молекул N2. Атом азоту має 7 електронів, 2 містяться в його внутрішній оболонці і 5 у зовнішній оболонці. Отже, його символ Льюїса наступний:

Малюнок 3.6.

Газ азоту не горить і, як правило, хімічно не реагує. Перевага використовується з надзвичайної хімічної стабільності газу азоту в додатках, де нереактивний газ необхідний для запобігання пожеж і вибухів. Хоча майже 80% повітря, яким дихають люди, складається з елементарного азотного газу, люди померли від асфіксії, потрапляючи в райони, заповнені газом азоту, в яких відсутній кисень. Так як газ азоту не має запаху, він не попереджає про його присутність.

Величезні кількості рідкого азоту, який кипить при дуже холодному -190˚C, використовуються в районах, де потрібні холодні температури. Ця холодна рідина використовується для швидкого заморожування харчових продуктів і для сушіння матеріалів в процесах сублімації. Біологічні матеріали, такі як сперма, що використовується в штучному розведенні тварин, можуть зберігатися в рідкому азоті.

Атмосфера - невичерпний резервуар азоту. Однак дуже важко отримати азот в хімічно поєднану форму, в якій він зустрічається в простих неорганічних сполуках або білках. Це пов'язано з надзвичайною стабільністю молекули N2, згаданої вище. Масштабна хімічна фіксація атмосферного азоту над каталітичною поверхнею при високих температурах і тиску у вигляді реакції

\[\ce{N2 + 3H2 → 2NH3} \label{3.5.3}\]

було головним досягненням хімічної промисловості близько століття тому. Це дозволило здійснити масштабне виробництво відносно дешевих азотних добрив, що призвело до значного збільшення рослинництва, а також виготовлення величезних кількостей вибухових речовин на основі азоту, що зробило можливим безпрецедентну бійню Першої світової війни, незважаючи на екстремальні умови, необхідні для отримання азотних сполук людиною в антросфері, скромні бактерії роблять те ж саме в умовах навколишнього середовища температури і тиску, перетворюючи N2 з повітря в органічно пов'язаний азот в біомасі. Серед бактерій, які роблять це, є бактерії Rhizobium, які ростуть симбіотично на коренях бобових рослин, фіксуючи атмосферний азот, який потрібен рослинам, і витягуючи поживні речовини з рослин. Через цю здатність бобові, такі як соя та конюшина, добре ростуть з меншим штучним азотним добривом, ніж це потрібно іншим рослинам. Однією з захоплюючих можливостей з генетично модифікованими рослинами є потенціал розвитку азотфіксуючих сортів кукурудзи, пшениці, рису та інших культур, яким зараз не вистачає можливості фіксувати азот.

Азот є важливим елементом життя, який присутній у всіх білках, гемоглобіні, хлорофілі, ферментах та інших життєвих молекулах. Він циркулює через природу в циклі азоту, за допомогою якого елементарний азот включається з атмосфери в біологічний матеріал. Азотовмісна біомаса перетворюється під час біодеградації бактеріями в неорганічні форми, які можуть бути використані рослинами як поживний азот. Зрештою, бактеріальні процеси перетворюють азот назад в елементарний N2, який повертається в атмосферу для завершення циклу.

Кисень, дихання життя

Кисень, атомний номер 8, атомна маса 16.00 потрібні людині і багатьом іншим живим організмам. Двоатомний неметалевий елементарний кисень складається з молекул O2 і становить 21% від обсягу повітря. З 8 його електронів атом кисню має 6 у зовнішній оболонці, як представлено формулою Льюїса:

Кисень, безумовно, можна класифікувати як зелений елемент з ряду причин, не останньою з яких є те, що O в атмосфері є для прийняття. Елементарний кисень переноситься з атмосфери в антросферу шляхом зрідження повітря та дистиляції рідкого повітря, того самого процесу, який дозволяє ізолювати чистий азот. Ці два гази також відокремлюються від повітря шляхом адсорбції на тверді поверхні під тиском з подальшим видаленням під вакуумом. Чистий кисень має ряд застосувань, включаючи використання в якості газу для дихання людьми з дефіцитом легенів, в хімічному синтезі та в оксиацетиленових пальниках, що використовуються для зварювання та різання металів.

Хоча елементарна молекула кисню досить стабільна, на висотах багатьох кілометрів у стратосфері вона розщеплюється до атомів кисню шляхом поглинання ультрафіолетового випромінювання від сонця, як показано в Главі 2, Реакція 2.13.1 Як показано Реакція 2.13.2, атоми кисню, утворені фотохімічна дисоціація O2 поєднується з молекулами O2 для отримання молекул озону, O3. Результатом є шар сильно розрідженого повітря, що містить деяку кількість озону в діапазоні висот у багато кілометрів, розташований високо в стратосфері. Озону в цьому шарі насправді не так багато. Якби це був чистий озон в умовах тиску і температури, які відбуваються на рівні землі, озоновий шар був би товщиною всього близько 3 міліметрів! Цей стратосферний озон, хоч і рідкісний, виконує важливу функцію в захисті організмів на поверхні Землі від руйнівного впливу ультрафіолетового випромінювання сонця. Якби не стратосферний озон, життя, як зараз відомо, не могло існувати на Землі.

Озон має роздвоєння особистості як зелена форма кисню. Як обговорювалося вище, озон в стратосфері явно корисний і необхідний для життя. Але токсично вдихати на рівнях менше, ніж навіть одна частина на мільйон за обсягом. Озон, ймовірно, є найбільш шкідливою складовою повітря, забрудненого утворенням фотохімічного смогу в атмосфері на рівні землі.

Найбільш помітною хімічною характеристикою кисню є його здатність поєднуватися з іншими матеріалами в енергопродуктивних реакціях. Однією з таких реакцій, з якою знайома більшість людей, є спалювання бензину в автомобілі,

\[\ce{2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + energy } \label{3.5.4}\]

виконується настільки ефективно, що згоряння всього 1 галона бензину здатне просувати повнорозмірний автомобіль більш ніж на 25 км при швидкостях шосе. Поряд з багатьма іншими організмами ми використовуємо кисень у своєму організмі для реагування з поживними вуглеводами,

\[\ce{C6H12O6 (glucose) + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energy } \label{3.5.5}\]

забезпечити енергією, яку ми використовуємо. Тоді як згоряння такого палива, як бензин, відбувається при розпеченій температурі, «спалювання» вуглеводів в нашому організмі відбувається за рахунок дії ферментів в організмі при температурі тіла всього 37˚C.

Найбільш неметалічний елемент, фтор

Фтор, F, атомний номер 9, атомна маса 19.00 має 7 зовнішніх електронів, як показано його символом Льюїса

Елементарний фтор складається з двоатомних молекул F2, що становлять зеленувато-жовтий газ. Фтор - самий неметалічний з усіх елементів. Він бурхливо реагує з металами, органікою і навіть склом! Елементарний фтор - дуже їдкий отрута, який атакує плоть і утворює рани, які загоюються дуже погано. Через свою небезпеку практика зеленої хімії прагне мінімізувати генерацію або використання F2.

Фтор використовується в хімічному синтезі. Колись він широко використовувався для виготовлення фреонів, хлорфторуглеродних сполук, таких як дихлордифторметан, Cl2cF2, які використовувались як холодоагенти, пропеленти балончика та піноутворювачі з пінопласту. Як обговорювалося в главі 10, ці сполуки виявилися загрозою для життєво важливого стратосферного озонового шару, згаданого в обговоренні кисню вище. Зараз вони замінені фторсодержащими замінниками, такими як HFC-134a, CH2FCF3, які або не містять хлору (Cl), який руйнує стратосферний озон, або піддаються руйнуванню атмосферними хімічними процесами поблизу поверхні Землі, і, таким чином, ніколи не досягають стратосфери.