книги из ГПНТБ / Вишневский Л.Д. Под знаком углерода. Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева пособие для учащихся

Т птан

Титан относится к числу наиболее распространенных элементов земной коры. В СССР, США, Канаде, Австра­ лии и других странах известно много богатых титановых месторождений.-В природе титан обнаруживают в виде многих соединений, из которых наиболее распространен­ ным является оксид, титана (рутил ТЮг). Месторожде­ ния титана встречаются в виде минералов ильменита (титанат железа FeTiCb) и перовскита (титанат кальция СаТЮ3). Современное название минерала «ильменит» происходит от Ильменских гор на Урале, где был впер­ вые найден этот минерал.

Входит титан и в состав драгоценного камня сапфира. Примесью титана и объясняется приятный васильковый цвет камня. Интересно отметить, что лунный грунт, до­ ставленный на Землю космическими кораблями «Апол­ лон-11» и «Аполлон-12», содержал ильменит. Образцы лунного грунта, доставленного советскими автоматиче­ скими станциями «Луна-16» и «Луна-20», содержали 3—4% титана. Титан содержится в растительных и живот­ ных организмах. Подсчитано, что в человеческом орга­ низме его содержится до 20. мг. Титан есть и в воде рек и озер.

Цирконий

В свободном состоянии цирконий в природе не встре­ чается. Редко встречаются и значительные скопления ме­ сторождений циркония. Основной формой природного соединения этого элемента являются минералы циркон (силикат циркония ZrSiO^ и баддалеит (оксид цирко­ ния, цирконовая земля ZrOa).

Прозрачные, твердые кристаллы минерала циркона (от бесцветной окраски до кроваво-красной) обладают красивым видом и относятся к полудрагоценным кам­ ням. Следы циркония найдены и в живых организмах. Из сообщений печати известно, что в составе лунной по­ роды циркония содержится намного больше, чем в зем­ ных породах. В СССР запасы циркониевого сырья нахо­ дятся на Украине, Урале, в Сибири и на Кольском полу­ острове.

И

Гафний

Отдельные руды, содержащие гафний, в природе не известны. В виде примесей гафний всегда сопутствует цирконию во всех его рудах в количестве 0,5—2%.

В океанической и морской воде также обнаружены элементы IV группы. Содержание этих элементов в мор­ ской воде, по данным Дж. Меро, составляет для углеро­

3• 10~5 мг/л. Это огромные запасы природных солей, если учесть, что океаны и моря покрывают свыше 2/з поверх­ ности нашей планеты, а средняя глубина океанов окОло

3800 м.

3. КРУГОВОРОТ ЭЛЕМЕНТОВ IV ГРУППЫ В ПРИРОДЕ

Углерод и его соединения в природе очень многооб­ разны. На Земле происходит непрерывный круговорот этого элемента. Конечно, если наблюдать изменения сое­ динений углерода в течение короткого промежутка вре­ мени, то их можно и не заметить. Чем больше промежут­ ки времени наблюдений, тем более разительны пере­ мены. Наиболее интенсивные изменения соединений углерода происходят в биосфере — небольшой поверхно­ стной части Земли, в которой протекают жизненные про­ цессы. Основал науку о биосфере и ее эволюции в начале нынешнего века В. И. Вернадский. Особенностями био­ сферы являются наличие жидкой воды, солнечной радиа­ ции, оксида углерода СОг и соединений других элементов, необходимых для жизни, и, наконец, поверхностей разде­ ла между жидкими, твердыми и газообразными соедине­ ниями. Как правило, жизненные процессы протекают на границе раздела этих фаз.

Основным процессом, идущим в биосфере, является усвоение оксида углерода (IV) растениями и микроорга­ низмами:

п СО., -f п Н20 = (СН20)„ -j- п 0 2— Q

При этом в первую очередь образуются различные уг­ леводы, а из них образуются другие органические веще­ ства.

12

В реакции усвоения растениями оксида углерода СОг может участвовать не только вода, но также и другие водородсодержащие вещества. Например, органические вещества (метан), серосодержащие (сероводород) ит.д.:

п С 02 + п HaS -►(СНаО)„ + п S + Vj п 0 2— Q

Для таких синтезов используется главным образом солнечная энергия. Но иногда эти процессы идут и за счет теплоты окружающей среды. Углеродное питание зеле­ ных растений при участии световой энергии называется фотосинтезом. В процессе фотосинтеза растения земного шара, по приближенным подсчетам, усваивают ежегодно около 175 млрд, т углерода, синтезируя около 450 млрд, т органических веществ.

Специально выяснили, откуда выделяется кислород при фотосинтезе—из воды или оксида углерода (углекис­ лого газа), применяя тяжелый изотоп кислорода с массо­ вым числом 18, т. е. ,80. Как оказалось, кислород воды поступает в атмосферу, а кислород оксида углерода С02 переходит в органические вещества.

Наряду с процессом фотосинтеза в растениях идут процессы окисления органических веществ — процесс ды­ хания. При этом выделяется оксид углерода (IV) и энергия, необходимая для прохождения других биохими­ ческих процессов.

За этими двумя процессами легко проследить по из­ менению содержания оксида углерода СОг в лесу (рис. 1). В утреннее время, когда процесс фотосинтеза идет осо­ бенно интенсивно, содержание оксида углерода С 02 резко падает. В полдень, вследствие повышения температуры и уменьшения содержания влаги, процесс фотосинтеза за-

Рис. 1. Изменение содержания оксида углерода С 02 в лесу в зависи­ мости от времени суток и высоты.

13

С02 может колебаться в широких пределах в зависимо­ сти от температуры окружающего воздуха при наличии в воздухе значительного количества влаги. Оптимальная температура для фотосинтеза большинства растений со­ ставляет около 25°С. При повышении температуры синтез замедляется, а примерно при 45°С практически прекра­ щается.

Подсчитано, что тропическим лесом на площади в 1 м2 усваивается за год 1—2 кг оксида углерода (IV). Такое количество этого вещества содержится в столбе воздуха с основанием в 1 м2 и высотой, доходящей до страто­ сферы.

Фиксация оксида углерода С02 в северных широтах, в районе Антарктиды, пустынях и т. д. незначительна. Однако подсчитано, что на суше фиксируется в год око­ ло 10—100 млрд, г оксида углерода (IV). Если бы не шли

. процессы образования оксида углерода С02 и поступле­ ния его в атмосферу, то через несколько лет в результате фотосинтеза этот оксид должен был бы исчезнуть на Зем:

14

главным образом в виде карбоната кальция, накопились на месте бывших древних морей — это разрушенные ос­ татки микроорганизмов. Иногда меловые горы достига­ ют толщины в несколько сотен метров.

Примерно на 2000 км тянется вдоль северо-восточно­ го побережья Австралии знаменитый Большой барьер­ ный риф. «Строительство» Большого барьерного рифа осуществлено примитивными мельчайшими организма­ ми— полипами (коралловыми скоплениями) и водорос­ лями, которые поглощают из морской воды карбонат кальция. Кораллы размножаются делением в колоссаль­ ном количестве. На известковых оболочках — скелетах мертвых организмов — вырастают и размножаются но­ вые и новые коралловые колонии. Сотни тысяч лет не­ прерывно совершается это строительство. Большой барь­ ерный риф —это стена известняка, достигающая в отдельных местах более 70 км в ширину и более 250 м в глубину. Некоторые участки рифа представляют слож­ ную ажурную конструкцию с огромным количеством тре­ щин и внутренних пустот.

Много коралловых образований и в Красном море, особенно в его южной части. Скелеты губок, кораллов,

15

моллюсков и других беспозвоночных и низших хордовых животных называют спикулами (рис. 2, 3). Скелеты со­ стоят из известняка или кремнезема. Из спикул образо­ ван Мурманский берег — восточный берег Кольского за­ лива в Баренцевом море.

Упрощенная схема круговорота углерода приведена на рисунке 4. Конечно, этот круговорот идет очень мед­ ленно и в нем, помимо оксида углерода С02, участвуют, как выше указывалось, вода, кислород, сероводо­ род и т. д. Быстрее всего совершает круговорот оксид углерода (IV). Примерно в течение трехсот лет весь ок­ сид углерода С02 атмосферы усваивается растениями и животными организмами и почти весь снова возвраща­ ется в атмосферу (рис. 5). На рисунке для сравнения приведена длительность циклов круговорота кислорода и воды.

Человек своей деятельностью все в большей степени вмешивается в круговорот элементов в природе, особен­ но углерода. Большие количества горючих ископаемых, в основном угля и нефти, сжигаются, и оксид углерода поступает в атмосферу. Запасы каменного угля во всем мире оценивают около 7500 млрд. т. Сжигают каменный

1970 г. — 2,8 млрд, г., и его потребление непрерывно уве-

16

Рис. 5. Длительность циклов круговорота углерода, кислорода и воды в природе.

личивается. Практически весь добытый каменный уголь, а также большая часть нефти и природного газа были сожжены в топках, горелках, двигателях внутреннего сго­ рания и т. д. Это существенно увеличило концентрацию оксида углерода СОг в атмосфере. Считают, что только за 40 лет первой половины XX в. концентрация этого ок­ сида возросла с 0,029 до 0,032%. Этим, между прочим, объясняется некоторое повышение среднепланетной тем­ пературы — среднегодовая температура повысилась на 0,4°С. Расчеты также показали, что в ближайшие сто лет среднегодовая температура повысится на 7,1°С, а че­ рез пятьсот лет, когда будут в основном использованы разведанные запасы топлива, температура повысится на 12,2°С. Потепление климата, увеличение оксида угле­ рода (IV), безусловно, приведет и к другим изменениям. Следует ожидать повышения скорости фотосинтеза, тая­ ния полярных льдов и увеличения уровня Мирового оке­ ана. Поэтому человечество должно уже сейчас предви­ деть последствия, к которым может привести его деятель­ ность.

Другие представители IV группы менее подвижны, но и их соединения в какой-то степени участвуют в кругово­ роте элементов. Например, германий, являющийся рас­ сеянным элементом, накапливается в небольших количе­ ствах в некоторых растениях. Обнаружено, что зола не-

1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ АЛЛОТРОПНЫХ ВИДОИЗМЕНЕНИИ УГЛЕРОДА

Вдаль-веков уходит история открытия углерода. В фор­ ме древесного угля и в двух аллотропических моди­

фикациях (графит и алмаз) углерод был известен чело­ веку с незапамятных времен. Современное название «уг­ лерод» дано этому элементу в 1787 г.

Почти сто лет потребовалось, чтобы с достоверностью доказать тождество алмаза и углерода. Еще в -1704 г. Исаак Ньютон в своей книге «Оптика» высказал идею об углеродной природе алмаза. И. Ньютон считал, что ал­ маз—это «сгустившееся маслянистое вещество». Косвен­ ное доказательство тождества алмаза и углерода начина­ ется с доказательства того, что алмаз горюч. В 1694 г. флорентийские ученые сожгли алмаз, нагревая его в сол­ нечных лучах, сфокусированных линзой. Эти опыты впо­ следствии были многократно повторены. Так, А. Лавуа­ зье в 1772 г. доказал, что алмаз сгорает на воздухе. В ста­ ринной книге русского ученого А. М. Карамышева, издан­ ной в Санкт-Петербурге в 1779 г., сообщается о сжигании трех алмазов. В этом же году К. Шееле доказал, что графит является разновидностью угля.

В1797 г. врач Смитсон Теннант сжигает алмаз из сво­ его перстня в золотом футляре без доступа воздуха. Он приходит к выводу, что одинаковые количества алмаза и угля при сжигании (окислении) дают одинаковые коли­ чества оксида углерода С02. Так была окончательно до­ казана тождественность графита, алмаза и углерода. Не­ сколько позже А. Лавуазье и Г. Дэви опытным путем также подтвердили их тождество.

В1912 г. физиком Максом Лауэ было изучено отраже­ ние (дифракция) рентгеновских лучей в кристаллах. Бы­