За таинственным для многих названием химических элементов из VII группы таблицы Менделеева кроются вполне известные и часто используемые в быту вещества: поваренная соль, обычный йод и активно рекламируемый компонент зубной пасты – фтор. Но это далеко не все интересные факты о галогенах. Это они делают морскую воду солёной, продлевают «жизнь» лампам накаливания и снижают температуру в холодильнике. Однако роль галогенов в истории человеческой цивилизации далеко не однозначна и до сих пор вызывает ожесточённые дискуссии.
Урок химии для «чайников»
К галогенам (в переводе с греческого «образующим соли») относят 5 элементов: фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), йод (I) и астат (At). Помимо этого, существует ещё вещество искусственного происхождения теннессин (Ts), особенности которого пока мало изучены. Все перечисленные элементы обладают ярко выраженными свойствами неметаллов.
В современной классификации Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) группа обозначается цифрой 17, вместо прежней VIIА. Её составляют простые вещества из двухатомных молекул, обладающие схожими свойствами:
- Высокая химическая активность, обусловленная наличием на внешней оболочке 7-ми валентных электронов. Сильные окислительные способности галогенов не позволяют им проявляться в природе в чистом виде. Исключение составляет йод, который сконцентрирован в морских водорослях – ламинариях.
- В соединении с металлами образуют соли (галогениды). Вступая в реакцию с водородом, выделяют газ, водный раствор которого представляет собой сильнодействующую кислоту.
- Обладают резким неприятным запахом, вызывающим раздражение дыхательных путей.
- Относятся к ядам.
- Способны взаимно замещать друг друга. Причём более сильный реагент вытесняет более слабый.
Группа галогенов – единственная в менделеевской таблице, включает вещества сразу в трёх агрегатных состояниях. Так, при стандартной температуре 20°С и давлении 1 атм, фтор и хлор представляют собой газ, бром – жидкость, а йод кристаллы.
Фтор
Элемент, «возглавляющий» подгруппу галогенов в периодической таблице, не просто сверх-активен, он агрессивен, поскольку обладает наибольшей электроотрицательностью – способностью притягивать извне электроны «чужих» атомов. В свободном виде фтор не встречается, но он входит в состав многих минералов, например, плавикового шпата (флюорита). Именно эту горную породу добавляли, начиная с середины XVI века в металлоплавильные печи, отмечая, что процесс разложения железной руды тогда происходит при более низких температурах. Об открытии писал в своих трудах немецкий минеролог Георгиус Агрикола.
Опираясь на его исследования, химики эпохи Возрождения первыми попытались выделить из флюорита фтор, однако их усилия не принесли результатов. К счастью для экспериментаторов, которые не могли предположить, насколько токсичным, горючим и взрывоопасным окажется добываемое ими вещество. В 1771 году шведский химик Карл Шееле обработал флюорит концентрированным гидроксидом серы (серная кислота H2SO4), получив плавиковую кислоту или водный раствор фтористого водорода. Субстанция была чрезвычайно агрессивной и разъедала всё, с чем соприкасалась, в том числе и колбы, в которые её наливали. Впоследствии это свойство стали использовать в промышленности для художественного травления стекла.
Узнав об опытах шведского коллеги, французский естествоиспытатель Антуан Лавуазье предположил, что флюорит содержит неизвестный химический элемент, как раз и вызывающий столь бурную реакцию. Учёный даже дал своему ментальному «открытию» название fluorum (фтор на латинском), но материализовать его так и не смог.
«Мученики фтора»
Дальнейшие попытки выделить загадочный компонент из разных соединений, нередко заканчивались трагедией. Жертвами токсичного галогена стали ирландские учёные – братья Ноксы, Томас и Георг. Первый из них погиб от отравления парами фтороводорода, а второй остался инвалидом. Ещё несколько европейских химиков, в том числе и Жозеф Гей-Люссак, в разной степени стали «мучениками фтора», как окрестили их историки.
Только во второй половине XIX века французский исследователь Эдмон Фреми предложил относительно безболезненный метод электролиза фтористого водорода для получения чистого галогена. Дальнейшие опыты увели учёного в сторону от изначальной цели, однако его ученику – Анри Муассану в 1889 году, наконец, удалось выделить элементарный фтор. Способ, который он изобрёл путём долгих проб и ошибок, используется в производстве по сей день, практически без изменений. За своё открытие, Муассан в 1906 году был награждён Нобелевской премией. В комментарии к награде указывалось: «Весь мир восхищён экспериментальными навыками, которые позволили вам изучить этого дикого зверя среди химических элементов».
Это интересно знать
- Фтор (F2) – двухатомный газ бледно-жёлтого цвета с отталкивающим едким запахом. Атомный номер 9. Имеет наименьшую массу среди представителей своей группы. Современное название происходит греческого «фторос», что значит «разрушающий, несущий гибель».
- Содержание элемента в земной коре составляет почти 0,08%. В результате вулканических выбросов, он накапливается в почве и передаётся растениям.
- Способен соединяться почти со всеми элементами таблицы Менделеева, в том числе и с ранее считавшимися абсолютно инертными благородными газами. Три из них не «устояли» под «натиском» фтора: ксенон, криптон и радон. Фториды инертных газов были впервые получены в 1962 году.
- Воспламеняет обычно негорючие материалы – асбест, кирпич и благородные металлы. В струе вещества загорается даже горячая вода.
- Наиболее активный неметалл создаёт устойчивые инертные соединения, широко применяемые в современной промышленности. Это фторопласты, из которых изготавливают всё – от химической и тефлоновой посуды до зубных имплантов и фреоны, востребованные как самые безопасные хладагенты.
- Контакт с 9 элементом таблицы Менделеева, может привести к летальному исходу. Тем не менее, уже более полувека в США искусственно фторируют водопроводную воду, якобы для борьбы с кариесом у населения. Примеру американцев последовали и другие страны, однако быстро выяснилось, что профилактические меры – всего лишь рекламный ход алюминиевых корпораций, продающих, таким образом, отходы своего производства. Сегодня от фторирования воды отказались почти повсеместно, особенно когда исследования показали, что «полезная» добавка угнетает не только болезнетворные микроорганизмы, но и здоровые клетки, провоцируя рак, хрупкость костей, пигментирование и разрушение зубной эмали, а также слабоумие.
- Смертельная для человека доза фторидов составляет 2 г. В одном тюбике зубной пасты, в том числе и детской, содержится 0,2 – 0,5 % этого вещества. Кроме того, его добавляют в молоко, смеси для грудничков, дешёвый чай и жевательные резинки.
- Человеку не нужно искусственное фторирование. Необходимую для нормальной жизнедеятельности дозу элемента он получает с пищей, употребляя морскую рыбу, орехи, творог, яйца и бобовые. В человеческом организме содержится 0,003 г фтора.
- Ещё один интересный факт о фторе, касается фреонов. Тех самых, благодаря которым работают холодильники и кондиционеры, а также производятся некоторые полимеры. Попадая в атмосферу, фреоны распадаются под действием солнечных лучей, выделяя бром и хлор, губительные для озонового слоя.
- Известный крысиный яд производят на основе фторида натрия.
Хлор
Второй по активности галоген с атомарным номером 17 был подробно описан Карлом Шееле в 1774 году. Шведского химика нередко называют первооткрывателем элемента, но историки не согласны с этим тезисом. Они считают, что элементарный хлор выделили средневековые алхимики ещё в 1200 году при создании царской водки, как побочный продукт реакции азотной и соляной кислоты. А уж хлорид натрия или обыкновенная поваренная соль известна человечеству, по крайней мере, с 3 тыс. до н. э.
Тем не менее, история не умаляет заслуг Шееле, который впервые подробно описал основные свойства хлора:
- характерный жёлто-зелёный оттенок и острый запах;
- способность к обесцвечиванию;
- токсичность для насекомых, что впоследствии использовалось для создания сильнодействующего пестицида ДДТ.
Шееле не предполагал, что хлор является отдельным элементом. Учёный счёл его, в соответствии с популярной в то время теорией о гипотетической субстанции – флогистоне, дефлогистированной (очищенной) соляной кислотой. Ошибку в 1810 году исправил британский химик Гэмфри Дэви, разложив поваренную соль на две составляющие – натрий и хлор. Учёный назвал открытие «хлорином», а через год его французский коллега Жозеф Гей-Люссак, убрал суффикс «ин», оставив только привычный сегодня каждому «хлор».
Это интересно знать
- Изначально галогеном (дословно «солеродом») назывался только хлор, который прочно связывали с поваренной солью. Термин был предложен немецким учёным Иоганном Швейгером в 1811 году. Но обозначение впоследствии закрепилось за всей группой.
- Хлор – самый распространённый галоген в земной коре. Его содержание составляет 0,025%.
- Человеку нужно 800 мг вещества в сутки для нормальной деятельности сердечнососудистой и центральной нервной системы.
- Чистый хлор поучают методом электролиза поваренной соли.
- Газ, как отравляющее боевое вещество был использован в Первую мировую войну Германией под бельгийским городом Ипр. Инициатором стал немецкий учёный Фриц Габер, прозванный «отцом химического оружия». Вследствие только одной атаки, пострадали свыше 15 000 человек, из них 5 000 скончались на месте. Узнав о роли Габера в этом чудовищном преступлении, его жена покончила с собой, застрелившись из служебного револьвера мужа.
- Хлором отбеливают ткань и бумагу, а его соединения с калием и кислородом используют в производстве фейерверков и спичек.
- Наивысшей концентрации вещество достигает в морской воде.
- Хлор считается сильнейшим диэлектриком.
- Активное хлорирование питьевой воды провоцирует онкологические процессы, снижение репродуктивной функции, выкидыши и рождение мёртвого плода, генетические патологии, ослабление иммунитета.
- Один из самых опасных пестицидов ДДТ создан на основе хлорированного углеводорода. Его разработчик – швейцарец Пауль Мюллер удостоился Нобелевской премии. ДДТ внесён в ТОП-10 основных загрязнителей атмосферы, его быстрое распространение и устойчивость к разложению в сочетании с канцерогенными свойствами, стали причиной гибели нескольких видов птиц, рыб и млекопитающих. Непоправимый вред нанесён и нескольким поколениям людей, родившихся после 1960-х годов, когда пестицид широко применялся в мировом сельском хозяйстве.
Бром
Элемент с атомарным номером 35 представляет собой тёмно-красную жидкость с удушливым запахом. Настолько тяжёлым, что ему дали название «бром», что в переводе с греческого означает «зловонный». Вещество широко распространено в природе, являясь ионной составляющей горных пород, морской воды и растений, среди которых немало пищевых культур. Йодобромистые источники играют большую роль в бальнеологии.
Честь открытия брома поделили между собой немецкий химик Карл Якоб Лёвих и молодой французский исследователь Антуан Жером Баллар. Однако последний благодаря «зловонному» химикату, смог прославиться и построить хорошую карьеру. В 1826 году 24-летний преподаватель университета в Монпелье выделил вещество из рассола южно-французских солеварен. Работы продолжались в течение нескольких лет. Баллар назвал своё «детище» муридом, что на латыни и означает «рассол». Однако курировавший открытие Гей-Люссак переименовал элемент в бром, найдя такое определение более точным.
Наибольшее применение вещество нашло в медицине, где его включают в состав успокоительных препаратов. Однако передозировка брома грозит появлением галлюцинаций, шизофреническим расстройством и бредом. Продукт сдержится в некоторых назальных спреях, так что перед применением таких препаратов следует читать инструкцию.
Йод
Подбирая интересные факты про галогены, нельзя не упомянуть и о йоде – элементе под номером 53, самом тяжёлом среди стабильных представителей группы. Антрацитовые кристаллы этого вещества при 180°С превращаются в фиолетовый пар, отсюда и название, в переводе означающее «фиалковый».
Элемент случайно открыл в 1811 году француз Бернар Куртуа, когда занимался производством селитры для наполеоновских войск. Он выделял карбонат натрия из пепла морских водорослей, а отходы уничтожал, заливая серной кислотой. Плеснув жидкости больше чем обычно, Куртуа увидел, как над золой поднимается облако пурпурного пара, который оседая на холодных поверхностях, превратился в кристаллы. По одной из версий, серную кислоту случайно опрокинул на водорослевую суспензию любимый кот учёного, неожиданно спрыгнув на стол.
Слишком занятый военным производством химик, передал образцы нового вещества Гей-Люссаку, чтобы тот продолжил исследования. Научное описание элемента появилось лишь 2 года спустя после его открытия.
В 1908 году настойка йода была впервые использована для стерилизации в полевых условиях хорватским хирургом Антонио Гросичем. Препарат и сейчас популярен как домашнее средство для оказания первой помощи при порезах и ушибах.
Любопытно, что в день человеку необходимо употреблять 0,15 мг йода, иначе пострадают щитовидная железа и головной мозг. Однако разовая доза в 3 г, является смертельной для любого живого существа. Так что избыток йода не менее опасен, чем его недостаток.