Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

Когда вышележащие слои породы непроницаемы и для газов, то самые легкие из образующихся углеводородов — метан, этан и другие — тоже накапливаются под землей и образуют месторождения природного газа. Природный газ — самое дешевое и прекрасное химическое сырье.

Углерод в неорганической химии

По многообразию и численности своих соединений углерод оставляет позади все остальные элементы таблицы Менделеева, вместе взятые.

В сочетании с водородом, кислородом, азотом, серой и фосфором он образует почти все органические вещества, существующие в природе и синтезированные в лаборатории. Их известно более двух миллионов и теоретически возможно бесконечное множество. По образному выражению академика Несмеянова, язык органической химии — это язык, алфавит которого состоит всего из шести букв, а словарный запас непрерывно растет и уже сейчас с трудом умещается в сотне объемистых томов.

Многообразие углеродистых соединений обусловлено уникальной способностью атомов углерода образовывать чрезвычайно прочные связи друг с другом. Цепи из углеродных атомов могут достигать очень большой длины и вполне устойчивы. В то же время даже короткие цепи из атомов других элементов в подавляющем большинстве случаев непрочны. Так, например, для кислорода максимальная длина цепи состоит из двух атомов; соединения, содержащие такие цепи, малоустойчивы. Для углерода получено вполне устойчивое соединение, содержащее цепочку из 70 углеродных атомов.

Но и в неорганической химии углерод занимает видное место. Особо нужно отметить углекислый газ и его производные.

Растворяясь в воде, углекислый газ соединяется с ее молекулами и образует слабую угольную кислоту H2CO3.

В чистом виде эту кислоту получить невозможно, потому что она очень неустойчива. Напротив, соли угольной кислоты — карбонаты и бикарбонаты — соединения устойчивые. Самое важное из них — карбонат натрия Na2CO3, или сода, — находит огромное применение в промышленности и хозяйстве. Аналогичное соединение калия (K2CO3) называется поташом. Как и все соли калия, это очень ценное удобрение. Если металл заместил в молекуле угольной кислоты только один атом водорода, получается бикарбонат. Наиболее известный бикарбонат — двууглекислая, или питьевая, сода NaHCO3.

Другое важное соединение углерода с кислородом — его окись CO.

Как мы уже говорили, окись углерода образуется при горении угля, если количество кислорода недостаточно для его полного сгорания. При нехватке воздуха в нижней части печи, где кислород еще есть, идет обычное горение с образованием углекислого газа: C + O2 = CO2, а в верхней ее части раскаленный уголь омывается уже не воздухом, а CO2, уголь отнимает кислород у углекислого газа и образуется окись углерода: C + CO2 = 2CO.

Окись углерода иногда называют угарным газом, потому что она очень ядовита. Отравление ею (угар) часто происходит при преждевременном закрывании дымохода в печи. При отравлении окисью углерода человеческая кровь теряет способность поглощать и передавать тканям организма кислород воздуха. Это может привести к смерти.

Взамен недостающего (до устойчивого соединения CO2) кислорода окись углерода охотно присоединяет другие атомы или группы атомов. Химики в таких случаях говорят о склонности к реакциям присоединения. Например, при температуре около 500 °C или просто на свету окись углерода «захватывает» два атома хлора: CO + Cl2 = COCl2. Образуется известное отравляющее вещество — фосген. Фосген — очень ценный реактив для получения многих сложных органических соединений. При повышенной температуре и большом давлении окись углерода соединяется с металлами; таким путем удается получить, в частности, летучее соединение железа — карбонил железа Fe(CO)5.

При сгорании окиси углерода выделяется большое количество тепла, поэтому ее получают в различных газогенераторных установках и используют как горючий газ.

При подземной газификации уголь в значительной степени превращается в окись углерода, которая затем выводится по трубам на поверхность и используется.

С помощью окиси углерода может быть получена синильная, или цианистоводородная, кислота HCN, например, при взаимодействии с аммиаком: СО + NH3 = HCN + H2O.

Синильная кислота — один из самых сильных ядов.

При высоких температурах углерод соединяется со многими металлами, образуя карбиды. Наиболее известны карбиды вольфрама WC и W2C. Они незаменимы при изготовлении сверхтвердых сплавов, по твердости приближающихся к алмазу.

Самым простым соединением углерода с водородом, находящимся на условной границе органических и неорганических соединений, является газ метан CH4. Он получается при высокой температуре прямо из углерода и водорода. В природе он образуется при разложении органических веществ без доступа воздуха. Метан — главная часть природных горючих газов.

Атомы водорода в метане могут полностью или частично заместиться на атомы галоидов. При замещении трех атомов водорода атомами хлора образуется хлороформ CHCl3, широко применяемый в медицине, а если все четыре атома водорода замещены хлором, получается четыреххлористый углерод CCl4 — очень хороший негорючий растворитель. Различные смеси таких галоидных соединений углерода, как CCl2F2, CClF3 и т. д., носят техническое наименование фреонов и используются в холодильной технике.

Во всяком случае, и по многообразию своих неорганических соединений углерод занимает одно из ведущих мест среди всех элементов периодической системы.

Кремний — «бог» неорганической природы

Кремний — замечательный химический элемент, атомы которого широко распространены на Земле. Хотя оболочка нашей планеты слагается из огромного количества не похожих друг на друга минералов, кремний занимает видное место в большинстве из них. На долю кремния приходится около 30 процентов веса земной коры. Кремний содержится во всех растениях. Особенно много его в хвоще и бамбуке.

В небольших количествах кремний входит также в состав живых организмов, а некоторые микроорганизмы используют растворенную в океане кремниевую кислоту для постройки своих крошечных скелетов. В организме человека кремния менее 0,1 процента, и его биологическая роль пока неясна.

Атом кремния так же, как и атом углерода, четырехвалентен. Это значит, что он может присоединить четыре одновалентных атома, например водорода или фтора.

Сравнительно большая химическая активность кремния приводит к тому, что элемент не может находиться в природе в свободном состоянии.

Наиболее удачно сочетаются электронные оболочки атома кремния и двух атомов кислорода, образуя двуокись кремния. Это очень тугоплавкое, твердое, химически малоактивное вещество. Двуокись кремния встречается в природе в различных видах. Чаще всего это белые кварцевые жилы, прорезающие более мягкие минералы, или продукт выветривания горных пород — белый кварцевый песок.

Реже встречаются различные красиво окрашенные примесями разновидности кварца: яшма, агат, халцедон, тридимит, кристобалит.

Обычно кварц состоит из множества сросшихся между собой белых полупрозрачных кристалликов. Он очень прочен — прочнее многих других минералов. При выветривании