15. Фосфор-Phosphorus (Р)






В темной комнате или ночью на улице попробуйте сделать такой простой опыт. Не очень сильно, так, чтобы не загорелась спичка, чиркните ею по спичечной коробке. Вы заметите, что некоторое время на терке будет виден светящийся путь от спички. Это светится белый фосфор. Но каждый, кто помнит уроки химии средней школы, может сказать: "Позвольте, в производстве спичек применяется красный, а не белый фосфор". Правильно! В терке спичечной коробки белого фосфора нет, есть красный, который в результате реакции, происходящей между красным фосфором, находящимся на поверхности спичечной коробки, и бертолетовой солью, заключенной в спичечной головке, в момент трения нагревается и в небольшом количестве переходит в белый.
Фосфор может существовать в нескольких формах, или, как говорят, в нескольких модификациях.
Белый фосфор - твердое кристаллическое вещество, причем в химически чистом виде кристаллы белого фосфора совершенно бесцветны, прозрачны и очень хорошо преломляют свет. На свету они быстро желтеют и утрачивают прозрачность. Поэтому в обычных условиях фосфор внешне очень похож на воск, но тяжелее его (плотность белого фосфора 1,84). На холоду фосфор хрупок, но при комнатной температуре сравнительно мягок и легко режется ножом. При 44° С белый фосфор плавится, а при 280,5° С кипит. Белый фосфор, окисляясь кислородом воздуха, светится в темноте и легко воспламеняется при слабом нагревании, например от трения.
Температура воспламенения совершенно сухого и чистого фосфора близка к температуре человеческого тела. Поэтому его хранят только под водой. В первую мировую войну белый фосфор использовался в качестве зажигательного материала в артиллерийских снарядах, авиационных бомбах, гранатах, пулях.
Фосфор - один из сильнейших ядов. Одна десятая доля грамма фосфора уже смертельная для человека. С другой стороны, фосфор - составная часть животного организма, без него животные и человек существовать не могут. Недостаток фосфора в организме вызывает задержку роста, слабость, прогрессивное исхудание и смерть. Прибавление же к пище растущих животных незначительных количеств фосфора (0,00015 г в день) ведет к улучшению аппетита, увеличению веса, числа красных кровяных шариков (эритроцитов), росту и уплотнению костей. Основная масса фосфора в организмах животных и человека содержится в костях. Соединения фосфора входят также в состав мозга, нервов, крови. Общее количество фосфора в организме человека достигает 500 г. Этим количеством свободного фосфора могут смертельно отравиться 5000 человек, и это же количество фосфора необходимо для нормального существования одного человека.
В поисках эликсира молодости и попытках получения золота алхимик XVII столетия Геннинг Бранд из Гамбурга пытался изготовить "философский камень" из мочи. Для этой цели он выпарил большое количество ее и полученный после упаривания сиропообразный остаток подверг сильному прокаливанию в смеси с песком и древесным углем без доступа воздуха.
В результате Бранд получил вещество, обладающее необыкновенными свойствами: оно светилось в темноте; брошенное в кипящую воду, выделяло пары, загоравшиеся на воздухе с выделением густого белого дыма, растворявшегося в воде с образованием кислоты.
Интерес к новому вещества был огромный, и Бранд надеялся извлечь из своего открытия изрядную прибыль: недаром он был в прошлом гамбургским купцом. Сохраняя способ изготовления в строжайшей тайне, Бранд показывал новое вещество за деньги, а желающим продавал его небольшими порциями только за чистое золото. Спустя некоторое время Бранд продал также и секрет изготовления фосфора дрезденскому химику Крафту, который, подобно Бранду, стал ездить по дворцам влиятельных особ, показывая фосфор за деньги, наживая огромное состояние. В частности, на опыты Крафта при дворе герцога Иоганна Фридриха в Ганновере обратил внимание известный немецкий философ и математик Лейбниц, служивший тогда при дворе герцога в должности библиотекаря. Согласно свидетельству Лейбница, немецкий химик, профессор Виттенбергского университета Иоганн Кункель узнал через Крафта рецепт изготовления фосфора и после ряда неудач, видоизменив способ Бранда, сумел получить фосфор, заявив претензию на самостоятельность открытия. Каспар Кирхмейер, тоже профессор Виттенбергского университета, взяв у Кункеля сведения о новом способе получения фосфора, опубликовал статью под длинным и интригующим названием: "Постоянный ночной светильник, иногда сверкающий, который долго искали, ныне найденный". В этой статье впервые сообщались некоторые свойства и особенности фосфора.
Независимо от Бранда, Кункеля и Кирхмейера в Англии в 1680 г. фосфор был получен Бойлем. Бойль посвятил в открытие своего ассистента Гауквица, который, как и его предшественники, старался из этого извлечь для себя выгоду. Однако это в полной мере удалось осуществить Гауквицу только после смерти Бойля. Развернув производство фосфора в коммерческом масштабе, Гауквиц нажил огромное состояние на продаже фосфора отдельным ученым и научным учреждениям Европы. В 1743 г. химик А. Mapграф нашел более совершенный способ получения фосфора и опубликовал свои данные для всеобщего сведения. Открывшаяся возможность каждому желающему приготовить "собственный" фосфор свела на нет "фосфорную спекуляцию".
Но фосфор стал объектом интереса только узкого круга химиков и ученых. За способность светиться в темноте фосфор и получил свое название, составленное из двух греческих слов: "фос" - свет и "феро"- несу. Буквально "фосфор" - светоносец. Некоторые русские химики предлагали ввести в науку чисто русские названия для фосфора, вроде "светлей", "само-свет" и др., но эти "имена" не получили распространения.
После открытия фосфора его способность светиться в темноте была вновь использована, но для других целей. На этот раз фосфором стали промышлять представители религиозных культов. Рецепты использования фосфора были самые разнообразные. Например, в расплавленный, но уже загустевший воск или парафин добавляли небольшое количество белого фосфора. Из полученной смеси формовали карандаши, которыми делали надписи на стенах храмов и иконах. Ночью были видны "таинственные надписи". Фосфор, медленно окисляясь, светился, а парафин, защищая его от быстрого окисления, увеличивал продолжительность явления. Растворяли белый фосфор в бензоле или сероуглероде. Полученным раствором смачивали фитили свечей или лампад. После испарения растворителя белый фосфор загорался, а от него воспламенялся фитиль. Так фабриковалось "чудо", именуемое "самовоспламенением свечей".
Фосфор в природе в свободном состоянии не встречается. Однако, относясь к числу широко распространенных элементов (на долю фосфора приходится 0,04% от общего числа атомов земной коры), он образует скопления минералов - фосфорита и апатита. В 1926 г. академик А. Е. Ферсман и Л. Н. Лабунцов открыли на Кольском полуострове богатейшие месторождения апатита. Разработка этих месторождений началась по инициативе С. М. Кирова. Фосфор необходим для жизни растений. Апатиты, найденные на Кольском полуострове, представляют собой неисчерпаемые запасы сырья для производства фосфорных удобрений.
Некоторые соединения фосфора - фитин, глицерофосфат и др. используются в медицине как лекарства, укрепляющие нервную, мышечную и костную системы.
Основным потребителем фосфора является спичечная промышленность. Спички - сравнительно "молодое" изобретение. Недавно ему исполнилось 150 лет. Кремень, огниво и трут, изготовлявшийся из особого вида гриба, применялись еще в начале XIX в. Впервые спички появились в 1805 г., когда Шансель предложил свое изобретение. Спички Шанселя представляли собой маленькие сухие лучинки, один конец которых был покрыт смесью бертолетовой соли и гуммиарабика. Спички зажигались путем погружения спичечной головки в пузырек, содержавший асбест, смоченный серной кислотой. Спички Шанселя усовершенствовал Джонс из Лондона. В новых спичках головка состояла из крохотного стеклянного пузырька с каплей серной кислоты, обмазанного смесью бертолетовой соли, сахара и клея. К спичкам прилагались щипцы-пинцет, которыми раздавливался пузырек-головка. Сама "спичка" состояла из легко воспламенявшегося картона. Под названием "дьявольских", спички Джонса были предметом роскоши у состоятельных особ и светских щеголей.
Аптекарь Вокер в Англии в 1826 г. изобрел спички, головки которых содержали смесь бертолетовой соли, сернистой сурьмы и клея. Для зажигания таких спичек прилагалась стеклянная шкурка. При трении головки о шкурку спичка воспламенялась.
Французский студент Шарль Сориа, воспользовавшись идеей аптекаря Вокера (зажигание путем трения), заменил состав смеси белым фосфором. Для зажигания таких спичек достаточно было энергично "чиркнуть" о любую твердую поверхность. При этом часто использовали для этой цели подошвы ботинок. Большая огнеопасность и ядовитость белого фосфора делали спички Сориа малопрактичными. Они часто являлись причиной то пожаров, то умышленных отравлений. Постепенное совершенствование фосфорных спичек привело к изобретению в Швеции "безопасных" спичек. Новые "безопасные", или "шведские", спички получили широкое распространение в быту. В головке шведских спичек нет белого фосфора. Красный фосфор нанесен на бумагу, приклеенную к спичечной коробке.
Красный фосфор в противоположность белому, или желтому, как его иногда называют, не ядовит, на воздухе не окисляется, в темноте не светится, в сероуглероде не растворяется и загорается только при 260°С. Красный фосфор получается из белого путем длительного нагревания без доступа воздуха при 250-300°С.
При очень больших давлениях красный фосфор переходит в новую модификацию - черный фосфор. Под руководством известного советского ученого Л. Ф. Верещагина полученный черный фосфор был обстоятельно исследован при разных условиях. Выяснено, что при давлении в 40000 кг/см2 образующаяся черная модификация фосфора имеет признаки металла (металлический блеск) и является полупроводником, а при дальнейшем увеличении давления до 100000 кг/см2 черный фосфор приобретает металлический характер, как это установила Е. В. Зубова, изучая его электропроводность.
В результате облучения алюминия альфа-частицами был получен радиоактивный изотоп фосфора (Р30). Радиофосфор оказался первым искусственно созданным "радиоэлементом". Радиоактивные элементы успешно применяются в различных областях науки и техники как чувствительные индикаторы при разнообразных исследованиях.
Фосфор является нежелательной примесью в металлических сплавах (фосфор делает их ломкими). Однако его добавляют в некоторые сплавы для заполнения отливаемой формы, так как фосфор сообщает сплаву способность хорошо заполнять самую сложную форму.
Статуи, художественные решетки и ограды, барельефы, некоторые украшения в метрополитене отлиты из фосфористой бронзы или фосфористого чугуна. Знаменитое художественное литье каслинских мастеров (Урал) готовится также из фосфористого чугуна. Хотя металл, содержащий фосфор, не очень прочен, он хрупок, но его вполне можно применять для изготовления художественных изделий.
Одним из интересных соединений фосфора является газообразный фосфористый водород, особенность которого состоит в том, что он легко воспламеняется на воздухе. Его поджигает самовоспламеняющийся жидкий фосфористый водород, который образуется обычно вместе с газообразным. Это свойство фосфористого водорода объясняет появление болотных, блуждающих или могильных огней. Огни на болотах и свежих могилах действительно бывают. Это не фантазия и не выдумка. В теплые темные ночи на свежих могилах иногда наблюдаются бледно-голубоватые, слабо мерцающие огоньки. Это "горит" фосфористый водород. Образуется фосфористый водород при гниении отмерших растительных и животных организмов. Фосфорные соединения, входящие в состав трупов животных и человека, под действием грунтовых вод разлагаются с образованием фосфористого водорода. При рыхлой насыпи над могилой или небольшом слое воды в болоте газ, выйдя на поверхность, воспламеняется от паров жидкого фосфористого водорода. Таким образом, огни на могилах и болотах - не "чудо", не следы таинственных духов, не привидения, не признак святости или греховности умершего, а результат химической реакции. Исследованием блуждающих огней занимались многие ученые. Их наблюдал известный немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель. Их изучали киевский профессор Кнорре, австрийский исследователь Лист и др. И не случайно мы задержали внимание читателя на блуждающих огнях. Слишком много легенд, предрассудков, грубого суеверия связывалось в прошлом, а кое-где и в настоящем, с появлением огней над болотами и на кладбищах.



16. Cepa-Sulfur (S)


Сера известна человеку со времен глубокой древности. Легендарный древнегреческий поэт Гомер, живший между XII и VIII вв. до нашей эры, автор эпических поэм "Иллиада" и "Одиссея", указывает, что сера употреблялась для курений при религиозных обрядах. Диоскорид, греческий врач из Киликии, в своей книге о лекарственных средствах, относящейся к 50 г. нашей эры, упоминает о двух сортах серы. Они употреблялись в качестве лечебного средства: "нежженая", т. е. самородная, и "жженая", или выплавленная, сера.
Сера входит в состав знаменитого в истории древнего мира греческого огня. Секретом его изготовления владели греческие цари в течение четырех веков.
В 941 г. под стенами Царьграда был уничтожен флот киевского князя Игоря. "Повесть временных лет" - летописный свод событий, составленный в Киеве, заканчивал словами очевидцев описание похода Игоря: "Словно молнию ... которая на небе. Греки имеют у себя и пускали ее, сжигая нас, поэтому мы и не одолели их".
Встречаясь в виде серных жил в трещинах земли вулканических местностей (в Италии, на о. Милосе, в Греции и др.), а также внутри кратеров вулканов, сера издавна считалась продуктом деятельности подземного бога Вулкана. Красивое сине-голубое пламя серы, удушливый запах вблизи огнедышащих гор укрепляли представление о божественном происхождении серы. В представлении древних натуралистов, особенно алхимиков, сера играла особую роль. Мысль, высказанная в VIII в. арабским алхимиком и врачом Джа-бир-ибн-Хайяном (Гебером), о том, что все металлы состоят из серы и ртути, стала основным принципом алхимического "учения" о металлах. Формула: "Все металлы состоят из ртути и серы в изменчивых количествах" теоретически обосновывала возможность превращения неблагородных металлов в золото. По мысли алхимиков, оно состояло из самой чистой ртути, смешанной с небольшим количеством самой чистой серы.
О древнейшем знакомстве человека с серой свидетельствует и происхождение ее названия, заимствованное у санскритского слова "сира", что значит светло-желтый. Химический знак - от латинского "сульфур" - сера.
Сера относится к весьма распространенным элементам. В земной коре содержание серы достигает 0,03%. Сера встречается в самородном состоянии в Америке (штат Луизиана, США), в Италии (Сицилия), в Японии. На территории бывшего СССР месторождения серы были открыты в Каракумской пустыне. Есть сера на Кавказе, Урале, в Поволжье. Особенно широко распространена сера в виде многочисленных и разнообразных соединений с металлами (минералы - колчеданы, обманки, блески), а также в виде солей (ангидрит, астраханит, вантгоффит, гипс, кругит, леонит и др.). На холоду сера взаимодействует только с фтором, при нагревании легко реагирует с водородом, кислородом и со всеми металлами, исключая золото и платину. Жерла действующих вулканов часто окаймлены скоплениями алунита. Некоторые астрономы полагают, что белые ореолы и светлые лучи, которые так хорошо видны на диске Луны вокруг кратеров лунных гор, состоят из алунита. Замечательная устойчивость серы к воде и воздуху находит применение в скреплении металлов с камнем.
Сера входит в состав белков. При анализе различных белков количество серы, в пересчете на сухое вещество, колеблется от 0,3 до 2,5%. Большое количество серы находится в белках покровных тканей, из которых образованы копыта, ногти, волосы, перья. Сера входит в состав некоторых гормонов (например, в инсулин), витаминов и ряда других органических соединений, играющих большую роль в обмене веществ.
Сейчас трудно перечислить отрасли техники и промышленности, где бы можно было обойтись без серы; она входит в состав спичечной зажигательной массы, широко используется в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями виноградников, хлопчатника и других растений. В мелко раздробленном состоянии очищенная сера применяется в медицине при энтеробиозе (заражение острицами), при лечении кожных заболеваний, в психиатрии для пирогенной (температурной) терапии.
Сера - незаменимый материал в производстве резины. Ценнейшие свойства каучука - упругость, эластичность - могут сохраняться в узком интервале температуры. Летом, в жару, изделия из каучука размягчаются и липнут. Зимой, в мороз, становятся хрупкими и ломкими. Было установлено, что каучук, соединяясь с серой при нагревании, дает резину (от французского слова - древесная смола). Жара и мороз ей не страшны. Процесс получения резины называется вулканизацией (от латинского "вулканус" - огонь).
В больших масштабах сера применяется для получения многочисленных производных - сероуглерода, сульфитной целлюлозы, фармацевтических препаратов, некоторых сортов синтетических каучуков, серной кислоты.
Важнейшим производным серы является серная кислота, которую получают при взаимодействии серного ангидрида с водой. В свою очередь серный ангидрид получают из сернистого газа. Сернистый газ под названием "паров горящей серы" известен со времен Гомера. Однако собрать эти "пары" в сосуд в чистом виде удалось спустя несколько столетий после Гомера англичанину Пристли. Он сделал это с помощью изобретенной им ртутной ванны. Сернистый газ хорошо растворяется в воде (1 объем воды при 0°С растворяет 80 объемов газа). Сернистый газ бесцветен, ядовит, обладает резким запахом. Жертвой сернистого газа стал знаменитый естествоиспытатель античного мира Плиний Старший. Сернистый газ является одним из наиболее часто встречающихся газообразных продуктов вулканических извержений. Среди действующих вулканов больше всего сернистого газа выбрасывает самый высокий и наиболее трудно доступный вулкан Камчатки - Ключевская сопка. Сернистый газ встречается и на давно потухших вулканах. Например, по свидетельству альпинистов, запах сернистого газа ощущается на северном склоне Эльбруса - высочайшего потухшего вулкана Европы.
Сернистый газ соединяет в себе свойства окислителя и восстановителя. Обладая способностью обесцвечивать в присутствии влаги органические краски, сернистый газ применяется в текстильной промышленности для отбеливания шерсти и шелка. В некоторых случаях реакция отбеливания является обратимой, и окраска с течением времени возобновляется. Этим объясняется восстановление цвета соломенных шляп, отбеленных сернистым газом. От солнечных лучей и сухого воздуха они приобретают свою прежнюю грязно-желтую окраску.
В медицинской и ветеринарной практике сернистый газ употребляется как превосходное дезинфицирующее средство. В бумажно-целлюлозной промышленности сернистый газ используется для получения целлюлозы из древесины. При пропускании смеси сернистого газа с кислородом воздуха над нагретым катализатором образуется серный ангидрид. При температуре 44,8° С серный ангидрид превращается в бесцветную летучую жидкость, затвердевающую при 16,8° С.
Соединение серного ангидрида с водой сопровождается большим выделением тепла. В результате образуется серная кислота.
Огромные количества серной кислоты расходуются в производстве минеральных удобрений, применяются для очистки поверхности железа от окислов перед нанесением металлических покрытий (цинка, олова и др.). Серная кислота используется для получения медного и цинкового купороса, сернокислого алюминия, некоторых кислот, а также для очистки органических продуктов и особенно нефтепродуктов.
Большие количества серной кислоты требуются для свинцовых аккумуляторов.
Успехи современной химии, знаменующиеся возникновением и развитием новых областей знания, сопровождаются и повышением спроса на серную кислоту. Не случайно мировое производство серной кислоты неуклонно увеличивается, превысив к 1957 г. 30 млн. т в год.
Многие думают, что серная кислота получается только искусственно. Это неправильно. Серная кислота найдена в некоторых водах вулканического происхождения. Так, например, вода реки Рио-Винагре, или Пазамбио" берущей начало у вулкана Пураче в Кордильерах (Южная Америка), содержит до 0,1 % серной кислоты. Река ежедневно выносит в море около 20 т серной кислоты. В СССР серная кислота была открыта академиком А. Е. Ферсманом в Каракумских песках.
Если нахождение серной кислоты в природе является редкостью, ее соли - сульфаты широко распространены в природе. Из ник особого упоминания заслуживает сернокислый натрий, содержащийся в морской воде или в минеральных озерах и заливах.
На дне залива Кара-Богаз-Гол в 1847 г. лейтенант И. А. Жеребцов обнаружил огромные запасы водного сульфата натрия. Название заливу - Кара-Богаз-Гол - было дано туркменскими рыбаками и в переводе означает "Залив черной паcти". В течение многих столетий вода из Каспийского моря беспрепятственно и со значительной скоростью попадала в залив через узкий и сравнительно длинный пролив. Однако уровень воды в заливе всегда сказывался ниже уровня моря. Таинственное исчезновение воды и породило представление о наличии на дне залива дыры в недра земли - "черной пасти". На самом деле исчезновение воды объясняется ее испарением. С поверхности залива, имеющей почти 18 тыс. квадратных километров, ежегодно испаряется около 18 куб. км воды. В заливе при этом остается 200-24О тыс. т различных солей, в том числе и сульфата натрия.
В истории химии сульфат натрия (он кристаллизуется с 10 молекулами воды) играл видную роль. Он был открыт и искусственно получен химиком Иоганном Глаубером, за что и назван глауберовой солью. За ряд своеобразных свойств (слабительное действие, легкость выветривания, способность давать пересыщенные растворы и др.) сульфат натрия был назван Глаубером "удивительной солью". От латинского названия этой соли ("саль мирабилис") произошло и ее минералогическое название - мирабилит.
Сульфат натрия одно время в больших количествах получали искусственным путем. Французский химник Леблан использовал мирабилит, как естественный, так и искусственный для получения соды.
Профессор Петербургской Академии Лаксман в 1764 г. при варке стекла заменил поташ глауберовой солью. Стекольная промышленность стала одним из крупнейших потребителей сульфата натрия. В настоящее время это соединение является одним из важнейших видов сырья многих отраслей промышленности.
Другая кислота серы - сероводородная - в больших количествах содержится во многих источниках вулканических местностей. В небольших количествах она присутствует в минеральных грязях, образующихся на дне неглубоких соляных озер. Сероводородная кислота - водный раствор сероводорода - бесцветного, с характерным запахом газообразного соединения серы с водородом. Сероводород очень ядовит. Он относится к числу аккумулятивных ядов, т. е. таких, которые, постепенно накапливаясь в организме, вызывают отравление даже в тех случаях, когда их концентрация в воздухе сама по себе не должна вызывать отравлений у человека, если он не находится в этом помещении сравнительно долго.
В природе сероводород в свободном состоянии встречается в составе вулканических газов. В растворенном и отчасти в свободном состоянии сероводород содержится в Черном море, начиная с глубины 200 и более метров. В небольших количествах он образуется всюду, где происходит разложение или гниение органических веществ.
Для некоторых микроорганизмов (серобактерии) сероводород не яд, а питательное вещество. Усваивая сероводород они выделяют свободную серу. Такие залежи образуются на дне озер северного побережья Африки, в Киренаике близ г. Бенгази.





На главную Сделать стартовой Добавить в избранное Написать письмо

Поставь закладку/отправь другу!

Рейтинг SunHome.ru Яндекс.Метрика