Свободные неметаллы в природе

Свободные неметаллы в природе

В число десяти элементов, знакомых людям с глубокой древности, входят два неметалла — углерод и сера. Оба элемента встречаются в природе в свободном состоянии.

Молекула серы состоит из восьми атомов, соединяющихся друг с другом в кольцо. При нагревании такие кольца разрываются, а при более высокой температуре образовавшиеся це­почки укорачиваются, так что сера становится смесью молекул, содержащих 8, 6 и 2 атома. При очень высокой температуре пары серы состоят из молекул S₂, т. е. построены так же, как молекулы кислорода, азота, хлора в обыч­ных условиях. Самое устойчивое состояние серы — кольцеобразная молекула S₈. При бы­стром охлаждении расплавленной серы разор­ванные кольца не успевают замкнуться и сера становится пластичной, а затем, превращаясь в самую устойчивую форму, возвращает себе привычный внешний вид и свойства.

Так проявляется один из самых универсаль­ных законов: все процессы в природе идут так, чтобы достигалось самое устойчивое со­стояние, энергия которого самая маленькая (камень падает с горы, потому что у ее под­ножия он будет обладать самой маленькой по­тенциальной энергией; сжатая пружина раз­жимается, потому что это ведет к снижению ее потенциальной энергии; атом любого эле­мента стремится к образованию устойчивой наружной оболочки, так как это тоже отвечает минимуму энергии).

Углерод встречается в природе в двух раз­личных формах (аллотропических видоизмене­ниях), отличающихся друг от друга строе­нием кристаллической решетки: это — алмаз и графит. Люди не сразу пришли к по­ниманию того, что благороднейший алмаз и невзрачный уголь — близнецы. А между тем установить это было совсем просто: в один прекрасный день с помощью линзы скон­центрировали солнечные лучи на кристаллике алмаза, помещенного под стеклянный колпак. Алмаз... сгорел, а под колпаком образовался углекислый газ — тот же самый, что образует­ся при горении угля...

Если алмаз — одно из редчайших произведе­ний природы, то графит и уголь образуют мощ­ные залежи. Правда, уголь почти никогда не состоит из чистого углерода, а всегда содержит различные примеси.

Недавно было установлено, что обычная сажа имеет строение, похожее на строение графита.

В течение долгого времени она причиняла людям одни неприятности, засоряя дымо­ходы, загрязняя воздух. Сажу использова­ли лишь для приготовления красок, туши и т. п. Но в последние десятилетия ее стали спе­циально готовить, причем для этого пришлось строить большие заводы, придумывать способ сжигать топливо так, чтобы сажи получалось как можно больше. Сажа — необходимый ком­понент при изготовлении резины из каучука. Специальным образом приготовленный аморф­ный углерод широко используется для поглоще­ния (адсорбции) многих веществ и как основа для нанесения катализаторов.

Графит очень нужен людям не только для карандашей. Порошок графита — хорошая смаз­ка для трущихся частей машин. Из графита делают электроды для различных электриче­ских устройств, потому что графит хорошо про­водит электрический ток, и это, пожалуй, единственный пример хорошей электропроводности среди неметаллов.

Азот и кислород составляют 99% атмосферы нашей планеты (78%— азот и 21%— кислород). Галогены встречаются в природе в виде раз­личных соединений, и это понятно — ведь они очень активны. Но кислород тоже очень актив­ный неметалл. Как же это совместить с большим количеством свободного кислорода в природе? Нет ли здесь какого-то противоречия?

Все дело в огромной роли, которую играют в химии Земли растения. Это они — действующие «фабрики» — производят кислород. Если бы вдруг в один совсем не прекрасный день весь растительный мир пере­стал существовать, ко­личество кислорода не­медленно начало бы уменьшаться, а через 3000 лет в атмосфере со­всем не осталось бы ки­слорода... И все же вы­сокая химическая актив­ность кислорода сказы­вается на его судьбе. Ко­личество свободного кислорода 10¹⁵ т, т. е. 1 миллион миллиардов тонн. В соединениях с другими элементами его содержится в 10 000 раз больше.

Без кислорода нет дыхания, а без дыхания нет жизни. Но значение кислорода для жизни не ограничивается только этим. Из двух аллотропных видоизменений кислорода — «обыч­ного» кислорода O₂ и озона O₃ — устойчивой является именно первая форма.

Озон довольно быстро превращается в «обычный» кислород, если не успевает вступать в реакцию с другими веществами. Солнце могло бы стать причиной гибели всего живого, потому что, кроме бла­годатного тепла и света, оно посылает на Зем­лю разящий поток губительных ультрафиоле­товых лучей. И защищает нас от этого врага невидимое кислородное «одеяло»: на большой высоте ультрафиолетовые лучи встречаются с молекулами кислорода, «разбивают» их и пре­вращают в молекулы озона. Образовавшийся озон и задерживает смертоносное излучение Солнца.

О кислороде обычно говорят: «газ без цве­та, без запаха, без вкуса». Это верно, но лишь для привычных нам условий. Если обычный воздух охладить ниже -150° под давлением в 40 атм, он превращается в бесцветную жидкость. Если такую жидкость поместить в специальные сосуды с двойными стенками из зеркального стекла, между которыми выкачан воздух, то жидкий воздух медленно испаряется, причем легче улетучивается азот. Поэтому в конце концов в сосуде останется чистый жидкий кис­лород. Оказывается, жидкий кислород совсем не бесцветный, а голубой... Его помещают под давлением в стальные баллоны и используют там, где это необходимо. А необходимость в кислороде большая. Для выплавки чугуна, например, в домну вдувают воздух, необходи­мый для сгорания топлива. Но необходим-то только кислород, а азот активно мешает про­цессу, уносит тепло, ухудшает качество метал­ла. Поэтому в доменном процессе очень перспек­тивно применение чистого кислорода. Жидкий кислород используют в качестве окислителя топлива в некоторых системах космических ракет.

Азот — «безжизненный» газ, как его на­звали когда-то (он не поддерживает горения и дыхания),— интересный неметалл. Молекула N₂ очень прочна, поэтому азот с трудом вступа­ет в реакции. Свободный азот — самая устой­чивая форма существования этого элемента в природе. Значительная часть азота на Земле находится именно в атмосфере, а те сравнитель­но небольшие скопления соединений азота, ко­торые есть на Земле, обязаны своим происхож­дением в основном живым организмам.

Мы уже знаем, что растения освобождают кислород и выделяют его в атмосферу. С азотом дело обстоит как раз наоборот: живые организмы связывают азот атмосферы. Подсчитано, что так называемые азотобактерии, живущие в почве, способны за год связать 50 кг азота на каждом гектаре Земли. Бактерии же, обитающие на корнях бобовых растений, перерабатывают втрое больше атмосферного азота в расчете на 1 га! Есть бактерии, «работающие» в обратном направлении,— они возвращают связанный в соли азотной кислоты элемент опять в атмосферу.

При электрических разрядах в атмосфере во время грозы азот вступает в соединение с кислородом и в конце концов превращается в азотную кислоту. Потоки азотной кислоты, льющиеся на землю с грозовым дождем! Не слишком ли это преувеличено? Судите сами: в среднем на всех материках происходит более 40 000 гроз в день, и эти грозы приносят еже­годно около 15 кг связанного азота на 1 га зем­ной поверхности.

В наше время в судьбу азота активно вме­шался человек. Еще 140 лет назад первую пар­тию чилийской селитры — одного из важнейших азотных удобрений — выбросили в море ... за ненадобностью. Сегодня на сотнях заводов превращают атмосферный азот в химические соединения, без которых невозможна ни сов­ременная промышленность, ни сельскохозяй­ственное производство.

Один из методов связывания атмосферного азота подражает природе: смесь азота и кисло­рода пропускают через электрическую дугу и получают окисел N0, который далее легко реагирует с кислородом воздуха, превращаясь в бурый NO₂. При растворении в воде он дает азотную кислоту. Этот метод сейчас отступает перед самым распространенным процессом — синтезом аммиака из смеси азота и водорода в присутствии катализатора:

Если вы внимательно читали эту главу, вы обязательно должны задать коварный вопрос: все процессы в природе должны вести к умень­шению энергии, все элементы должны находиться в своей самой устойчивой форме — «камень обязательно должен упасть»?.

Как же может случиться, что кислород на­ходится не в устойчивой форме своих соеди­нений, а в свободном состоянии; наоборот, по­чему же азот, максимально устойчивый в своем элементарном состоянии, все же превращается в различные соединения?

Частично мы уже ответили на этот вопрос, подчеркнув роль живых организмов в судьбе этих двух элементов. Да, «камень должен упасть», если он предоставлен самому себе. Но не требует доказательств тот очевидный факт, что любой из нас может взять этот упавший камень и поднять его обратно на гору. Для этого нужно лишь затратить энергию. Теперь ясно, почему растения способны произвести превращения, о которых мы рассказали: ведь они затрачи­вают энергию, которую получают от Солнца.

Подсчитано, что масса живого вещества на Земле составляет один грамм на каждый квад­ратный сантиметр поверхности. Много ли это? Много! Ведь только благодаря участию живых организмов в атмосфере появился свободный кислород, на суше и в морях образовались огромные залежи известняков, мела, фосфори­тов, углей, нефти. Недаром эти минералы назы­вают биолитами. Растения вмешиваются в распределение элементов в земной коре, кон­центрируя одни из них, способствуя рассеива­нию других. В течение года растения фикси­руют 8,2 млрд. т азота и 184 млрд. т углерода. Не удивительно поэтому, что общий вес живых организмов в 2,5 раза превышает вес всего никеля, хрома, цинка, свинца и золота земной коры, вместе взятых.