Периодическая система элементов Менделеева - I

Следом знакомы все. Порезав палец, мы тянемся к склянке с йодом, точнее с его спиртовым раствором...

Тем не менее этот элемент в высшей степени своеобразен и каждому из нас, независимо от образования и профессии, приходится открывать его для себя заново не один раз. Своеобразна и история этого элемента.

Первое знакомство

Йод был открыт в 1811 году французским химиком-технологом Бернаром Куртуа (1777—1838), сыном известного селитровара. В годы Великой французской революции он уже помогал отцу «извлекать из недр земли основной элемент оружия для поражения тиранов» (KNO3), а позже занялся селитроварением самостоятельно.

В то время селитру получали в так называемых селитряницах или буртах. Это были кучи, сложенные из растительных и животных отбросов, перемешанных со строительным мусором, известняком, мергелем. Образовавшийся при гниении аммиак окислялся микроорганизмами сперва в азотистую HNO2, а затем в азотную HNO3 кислоту, которая реагировала с углекислым кальцием, превращая его в нитрат Ca(NO3)2. Его извлекали из смеси горячей водой, а после добавляли поташ. Шла реакция

Са(NО3)2 + К2СО3 = 2КNO3 + СаСО3 .

Раствор нитрата калия сливали с осадка и упаривали. Полученные кристаллы калиевой селитры очищали дополнительной перекристаллизацией.

Куртуа не был простым ремесленником. Проработав три года в аптеке, он получил разрешение слушать лекции по химии и заниматься в лаборатории Политехнической школы в Париже у знаменитого Фуркруа. Свои познания он приложил к изучению золы морских водорослей, из которой тогда добывали соду. Куртуа заметил, что медный котел, в котором выпаривались зольные растворы, разрушается слишком быстро. В маточном растворе, после упаривания и осаждения кристаллических сульфатов натрия и калия, оставались их сульфиды и, видимо, что-то еще. Добавив к раствору концентрированной серной кислоты, Куртуа обнаружил выделение фиолетовых паров. Не исключено, что нечто подобное наблюдали коллеги и современники Куртуа, но именно он первым перешел от наблюдений к исследованиям, от исследований — к выводам.

Вот эти выводы (цитируем статью, написанную Куртуа):

«В маточном растворе щелока, полученного из водорослей, содержится достаточно большое количество необычного и любопытного вещества. Его легко выделить. Для этого достаточно прилить серную кислоту к маточному раствору и нагреть его в реторте, соединенной с приемником. Новое вещество... осаждается в виде черного порошка, превращающегося при нагревании в пары великолепного фиолетового цвета. Эти пары конденсируются в форме блестящих кристаллических пластинок, имеющих блеск, сходный с блеском кристаллического сульфида свинца... Удивительная окраска паров нового вещества позволяет отличить его от всех доныне известных веществ, и у него наблюдаются другие замечательные свойства, что придает его открытию величайший интерес».

В 1813 году появилась первая научная публикация об этом веществе, его стали изучать химики разных стран, в том числе такие светила науки, как Жозеф Гей-Люссак и Хэмфри Дэви. Год спустя эти ученые установили элементарность вещества, открытого Куртуа, и Гей-Люссак назвал новый элемент йодом — от греческого ioeidhz — темно-синий, фиолетовый.

 

Второе знакомство:

свойства обычные и необычные

Йод — химический элемент VII группы периодической системы. Атомный номер — 53. Атомный вес — 126,9044. Галоген. Из имеющихся в природе галогенов — самый

тяжелый, если, конечно, не считать радиоактивный короткоживущий астат. Практически весь природный йод состоит из атомов одного-единственного изотопа ) с массовым числом 127. Радиоактивный йод-125 образуется в результате спонтанного деления урана. Из искусственных изотопов йода важнейшие — йод-131 и йод-133;

их используют в медицине.

Молекула элементарного йода, как и у прочих галогенов, состоит из двух атомов. Йод — единственный из галогенов, находится в твердом состоянии при нормальных условиях. Красивые темно-серые кристаллы йода больше всего похожи на графит. Отчетливо выраженное кристаллическое строение, способность проводить электрический ток — все эти «металлические» свойства характерны для чистого йода. .

Но, в отличие от графита и большинства металлов, йод очень легко переходит в газообразное состояние, Превратить йод в пар легче даже, чем в жидкость.

Чтобы расплавить йод, нужна довольно низкая температура - +113,5° С, но, кроме того, нужно, чтобы парциальное давление паров йода над плавящимися кристаллами было не меньше одной атмосферы. Иными словами, в узкогорлой колбе йод расплавить можно, а в открытой лабораторной чашке— нельзя. В этом случае пары йода не накапливаются, и при нагревании йод возгонится — перейдет в газообразное состояние, минуя жидкое, что обычно и происходит при нагревании этого вещества, Кстати, температура кипения йода ненамного больше температуры плавления, она равна всего 184,35° С.

Но не только простотой перевода в газообразное состояние выделяется йод среди прочих элементов» Очень своеобразно, например, его взаимодействие с водой.

Элементарный йод в воде растворяется неважно: при 25° С лишь 0,3395 г/л. Тем не менее, можно получить значительио более концентрированный водный раствор элемента № 53, воспользовавшись тем же нехитрым приемом, который применяют медики, когда им нужно сохранить подольше йодную настойку (3- или 5 %-ный раствор йода в спирте): чтобы йодная настойка не выдыхалась, в нее добавляют немного йодистого калия KI. Это же вещество помогает получать и богатые йодом водные растворы:

йод смешивают с не слишком разбавленным раствором йодистого калия.

Молекулы KI способны присоединять молекулы элементарного йода. Если с каждой стороны в реакцию вступают по одной молекуле, образуется красно-бурый трийодид калия. Йодистый калий может присоединить и большее число молекул йода, в итоге получаются соединения различного состава вплоть до KI9. Эти вещества называют полийодидами. Полийодиды нестойки, и в их растворе всегда есть элементарный йод, причем в значительно большей концентрации, чем та, которую можно получить прямым растворением йода.

Во многих органических растворителях — сероуглероде, керосине, спирте, бензоле, эфире, хлороформе — йод растворяется легко. Окраска растворов йода в органике не отличается постоянством. Например, раствор его в сероуглероде — фиолетовый, а в спирте — бурый. Чем это объяснить?

Очевидно, фиолетовые растворы содержат йод в виде молекул I2. Если же получился раствор другого цвета, логично предположить существование в нем соединений йода с растворителем. Однако не все химики разделяют эту точку зрения. Часть их считает, что различия в окраске йодных рас4творов объясняются существованием разного рода сил, соединяющих молекулы растворителя и растворенного вещества.

Фиолетовые растворы йода проводят электричество, так как в растворе молекулы I2 частично диссоциируют на ионы I⁺ и I^-. Такое предположение не противоречит представлениям о возможных валентностях йода. Главные валентности его: 1— (такие соединения называют йодидами), 5+ (йодаты) и 7+ (перийодаты). Но известны также соединения йода, в которых он проявляет валентности 1+ и 3+ играя при этом роль одновалентного или трехвалентного металла. Есть соединение йода с кислородом, в котором элемент № 53 восьмивалентен — IO4

 

Но чаще всего йод, как и положено галогену (на внешней оболочке атома семь электронов), проявляет валентность 1 —. Как и другие галогены, он достаточно активен — непосредственно реагирует с большинством металлов (даже благородное серебро устойчиво к действию йода лишь при температуре до 50° С), но уступает хлору и брому, не говоря уже о фторе. Некоторые элементы — углерод, азот, кислород, сера, селен — в непосредственную реакцию с йодом не вступают.

Третье знакомство:

оказывается, йода на Земле меньше, чем лютеция

Йод — элемент достаточно редкий. Его кларк (содержание в земной коре в весовых процентах) — всего 3 · 10^-5 %. Его меньше, чем самых труднодоступных элементов семейства лантаноидов — тулия и лютеция. Ненамного, но меньше.

Есть у йода одна особенность, роднящая его с «редкими землями», — крайняя рассеянность в природе. Будучи далеко не самым распространенным элементом, йод присутствует буквально везде. Даже в сверхчистых, казалось бы, кристаллах горного хрусталя находят микропримеси йода. В прозрачных кальцитах содержание элемента № 53 достигает 3 · 10^-6 %. Йод есть в почве, в морской и речной воде, в растительных клетках и организмах животных. А вот минералов, богатых йодом, очень мало. Наиболее известный из них—лаутарит Са(IO3)2. Но промышленных месторождений лаутарита на Земле нет.

Чтобы получить йод, приходится концентрировать природные растворы, содержащие этот элемент, например воду соленых озер или попутные нефтяные воды, или перерабатывать природные концентраторы йода — морские водоросли. В тонне высушенной морской капусты (ламинарии) содержится до 5 кг йода, в то время как в тонне морской воды его всего лишь 20—30 мг.

Как и большинство жизненно важных элементов, йод в природе совершает круговорот. Поскольку многие соединения йода хорошо растворяются в воде, йод выщелачивается из магматических пород, выносится в моря и океаны. Морская вода, испаряясь, подымает в воздух массы элементарного йода. именно элементарного: соединения элемента № 53 в присутствии углекислого газа легко окисляются кислородом до I2.

Ветры, переносящие воздушные массы с океана на материк, переносят и йод, который вместе с атмосферными осадками выпадает на землю, попадает в почву, грунтовые воды, в живые организмы. Последние концентрируют йод, но, отмирая, возвращают его в почву, откуда он снова вымывается природными водами, попадает в океан, испаряется, и все начинается заново. Это лишь общая схема, в которой опущены все частности и химические преобразования, неизбежные на разных этапах этого вечного коловращения.

А изучен круговорот йода очень хорошо, и это не удивительно: слишком велика роль микроколичеств этого элемента в жизни растений, животных, человека...

Четвертое знакомство:

биологические функции йода

Они не ограничиваются йодной настойкой. Не будем подробно говорить о роли йода в жизни растений — он один из важнейших микроэлементов, ограничимся его ролью в жизни человека.

Еще в 1854 году француз Шатен — превосходный химик-аналитик — обнаружил, что распространенность заболевания зобом находится в прямой зависимости от содержания йода в воздухе, почве, потребляемой людьми пище. Коллеги опротестовали выводы Шатена; более того, Французская академия наук признала их вредными. Что же касается происхождения болезни, то тогда считали, что ее могут вызвать 42 причины — недостаток йода в этом перечне не фигурировал.

Прошло почти полстолетия, прежде чем авторитета немецких ученых Баумана и Освальда заставил французских ученых признать ошибку. Опыты Баумана и Освальда показали, что щитовидная железа содержит поразительно много йода и вырабатывает йодсодержащие гормоны. Недостаток йода вначале приводит лишь к небольшому увеличению щитовидной железы, но, прогрессируя, эта болезнь — эндемический зоб — поражает многие системы:

организма. В результате нарушается обмен веществ, замедляется рост. В отдельных случаях эндемический зоб может привести к глухоте, к кретинизму... Эта болезнь больше распространена в горных районах и в местах, сильно удаленных от моря.

О широком распространении болезни можно судить даже по произведениям живописи. Один из лучших женских портретов Рубенса «Соломенная шляпка». У красивой женщины, изображенной на портрете, заметная припухлость шеи (врач сразу сказал бы: увеличена щитовидка). Те же симптомы у его Андромеды с картины «Персей и Андромеда». Признаки йодной недостаточности видны у некоторых людей, изображенных на портретах и картинах Рембрандта, Дюрера, Ван Дейка...

В нашей стране, большинство областей которой удалены от моря, борьба с эндемическим зобом ведется постоянно — прежде всего средствами профилактики. Простейшее и надежнейшее средство — добавка микродоз йодидов к поваренной соли.

Интересно отметить, что история лечебного применения йода уходит в глубь веков. Целебные свойства веществ, содержащих йод, были известны за 3000 лет до того, как был открыт этот элемент. Китайский кодекс 1567 года до н. э. рекомендует для лечения зоба морские водоросли...

Антисептические свойства йода в хирургии первым использовал французский врач Буанэ. Как ни странно, самые простые лекарственные формы йода — водные и спиртовые растворы — очень долго не находили применения в хирургии, хотя еще в 1865—1866 годах великий русский хирург Н. И. Пирогов применял йодную настойку при лечении ран.

Приоритет подготовки операционного поля с помощью йодной настойки ошибочно приписывается немецкому врачу Гроссиху. Между тем еще в 1904 году, за четыре года до Гроссиха, русский военврач Н. Филончиков в своей статье «Водные растворы йода как антисептическая жидкость в хирургии» обратил внимание хирургов на громадные достоинства водных и спиртовых растворов йода именно при подготовке к операции.

Надо ли говорить, что эти простые препараты не утратили своего значения и поныне. Интересно, что иногда йодную настойку прописывают и как внутреннее: несколько капель на чашку молока. Это может принести пользу при атеросклерозе, но нужно помнить, что йод полезен лишь в малых дозах, а в больших он токсичен.

 

Пятое знакомство — сугубо утилитарное

Йодом интересуются не только медики. Он нужен геологам и ботаникам, химикам и металлургам.

Подобно другим галогенам, йод образует многочисленные йодоорганические соединения, которые входят в состав некоторых красителей.

Соединения йода используют в фотографии и кино промышленности для приготовления специальных фотоэмульсий и фотопластинок.

Как катализатор йод используется в производстве всех видов искусственных каучуков.

Получение сверхчистых материалов — кремния, титана, гафния, циркония — также не обходится без этого элемента. Йодидный способ получения чистых металлов применяют довольно часто.

Йодные препараты используют в качестве сухой смазки для трущихся поверхностей из стали и титана.

В Венгерской Народной Республике работает предприятие по изготовлению ламп накаливания мощностью до 10 квт. Стеклянная колба ламп наполнена не инертным газом, а парами йода, которые сами излучают свет при высокой температуре.

Йод и его соединения используются в .лабораторной практике для анализа и в хемотронных приборах, действие которых основано на окислительно-восстановительных реакциях йода...

Немало труда геологов, химиков и технологов уходит на поиски йодного сырья и разработку способов добычи йода. До 60-х годов прошлого столетия водоросли были единственным источником промышленного получения йода. В 1868 году йод стали получать из отходов селитряного производства, в которых есть йодат и йодид натрия. Бесплатное сырье и простой способ получения йода из

селитряных маточных растворов обеспечили чилийскому йоду широкое распространение во всем мире. В первую мировую войну поступление чилийской селитры и йода прекратилось, и вскоре недостаток йода начал сказываться на общем состоянии фармацевтической промышленности стран Европы. Начались поиски рентабельных способов получения йода. В нашей стране уже в годы Советской власти йод стали получать из подземных и нефтяных вод Кубани, где он был обнаружен русским химиком А. Л. Потылициным еще в 1882 году. Позже подобные воды были открыты в Туркмении и Азербайджане.

Но содержание йода в подземных водах и попутных водах нефтедобычи очень мало. В этом и заключалась основная трудность при создании экономически оправданных промышленных способов получения йода. Нужно было найти «химическую приманку», которая бы образовывала с йодом довольно прочное соединение и концентрировала его. Первоначально такой «приманкой» оказался крахмал, потом соли меди и серебра, которые связывали йод в нерастворимые соединения. Испробовали керосин — йод хорошо растворяется в нём. Но все эти способы оказались дорогостоящими, а порой и огнеопасными.

В 1930 году советский инженер В. П. Денисович разработал угольный метод извлечения йода из нефтяных вод, и этот метод довольно долго был основой советского йодного производства. В килограмме угля за месяц накапливалось до 40 граммов йода...

Были испробованы и другие методы. Уже в последние десятилетия выяснили, что йод избирательно сорбируется высокомолекулярными ионообменными смолами. В йодной промышленности Японии успешно используется этот ионитный способ. Применили его и у нас, но низкое содержание йода в природных водах не позволяет извлечь из них весь йод. Нужны более избирательные к йоду и более «емкие» иониты, и тогда появятся новые производства, о которых пока можно лишь фантазировать.

Одно из них — корабль. Корабль, идущий по морю своим курсом и по своим делам. Но его подводная часть снабжена специальными фильтрами из ионитов, улавливающих йод из морской воды. Подобные же ионитовые «йодоуловители» — на трубах заводских корпусов и тепловых станций: они собирают йод, который содержится в каменном угле, торфе и нефти.

Сколько преимуществ сулят эти пока еще фантастические проекты: дешевое сырье, отсутствие громоздкого заводского оборудования. Огромные массы йодсодержащих попутных вод нефтяных и газовых месторождений не надо будет выкачивать из недр земли, как это делается сейчас на йодных заводах. Ведь после эти подземные моря приходится закачивать обратно в пласт — неоправданный с точки зрения технологии будущего расход энергии! Поступят иначе: в нефтяные скважины при бурении введут . «падкие до йода» реактивы — поверхностно-активные вещества, жидкие иониты, экстрагенты, избирательно извлекающие йод — и выкачают их вместе с нефтью...

Пока это фантазия. Но фантазия не беспочвенная. В ее основе — достижения уже нынешней химии и знание свойств и особенностей элемента № 53.