Аркадий Курамшин – Таблица Менделеева. Элементы уже близко (страница 16)

Будучи первым d-элементом, скандий достаточно сильно отличается от других d-элементов химическими свойствами, тем, что для него не характерно разнообразие валентных состояний и степеней окисления переходных металлов, говоря точнее – как и у бора, по свойствам которого предсказывал свойства скандия Менделеев, скандий может быть в своих соединениях только трёхвалентным.

Соединения скандия интенсивно применяются в органической химии – его соли являются сильными кислотами Льюиса (веществами, способными «захватить» электронную пару другой молекулы), что позволяет активировать органические молекулы для участия в химических превращениях. С помощью скандия также удается получать естественное искусственное освещение. Понятно, это звучит как оксюморон, но дело в том, что небольшие добавки йодида скандия в ртутные лампы дают свет, по параметрам практически неотличимый от дневного солнечного освещения. Светильники, в которых используется йодид скандия, применяются в кинопроекторах и для прожекторов, освещающих аэропорты и стадионы (скорее всего, на чемпионате мира по футболу 2018 года скандию пришлось внести свою посильную лепту).

Небольшие добавки скандия к алюминию позволяют получить очень легкий и прочный сплав, из которого изготавливают рамы гоночных и горных велосипедов. В наше время в велостроении алюмо-скандиевый сплав уступает в популярности титановым сплавам и композитным материалам на основе углеродных волокон, однако до сих пор применяется в конструкции «двухколёсных коней».

Биологической роли скандий не играет. Его мало в земной коре (около 10 граммов на одну тонну), хотя известны столь же редкие переходные металлы, выполняющие тем не менее хоть какую-то работу в клетке. Второй, а точнее, главной причиной является то, что скандий проявляет только одно валентное состояние и не может участвовать в окислительно-восстановительных процессах, протекающих в клетке.

22. Титан

Элемент №22, титан, как и стоящий перед ним в Периодической системе скандий, не является биологически значимым элементом – его атомы не принимают участия ни в одном биохимическом процессе.

Тем не менее, если в организме человека скандий и можно найти, то только в следовых количествах, то количество титана в некоторых человеческих телах исчисляется граммами и десятками граммов (думаю, что в моём теле титана наберётся на пару граммов) – химическая инертность титана делает этот металл «физиологически дружественным», из-за чего его применяют для изготовления имплантов зубов, искусственных суставов и других протезов, которые должны непосредственно контактировать с тканями организма.

Правда, на практике преимущественно применяется не металлический титан, а его оксиды. В мире ежегодно используется около четырёх миллионов тонн оксидов титана: рутила и анатаза, каждый из которых отвечает формуле TiO₂ – это 95% случаев применения титана. Те читатели, кто уже изучал органическую химию, знают, что органические вещества с одинаковым составом могут различаться строением и свойствами – в органике это явление называется изомерией. Однако различие строения и свойств при одинаковом составе характерно не только для органических веществ, но и для неорганических. Иногда, когда неорганические вещества образуют молекулы, это явление также называется изомерией, но для оксидов титана, образующих не молекулы, а атомные кристаллические решетки, наличие нескольких форм, отвечающих формуле TiO₂, называется полиморфизмом. Кристаллические решётки слегка различаются межатомным расстоянием титан-кислород, расположением атомов титана и кислорода друг относительно друга, и вуаля – твердость рутила по шкале Мооса составляет 7 единиц, а анатаза – 5,5 единицы.

На практике преимущественно применяется более мягкий анатаз – он нужен везде, где нам нужен химический инертный, нерастворимый и не обладающий токсичностью порошок белого цвета. Диоксид титана применяется для изготовления таблеток лекарств, входит в состав зубных паст. В пищевой промышленности оксид титана, промаркирован как пищевая добавка E171, с помощью которой добавляют белизны в кондитерские изделия, сыры и мороженное. Оксид титана применяется в солнцезащитных кремах – он практически непрозрачен для ультрафиолета. То, что оксиды титана поглощают ультрафиолетовое излучение, позволяет использовать эти вещества как фотокатализаторы. Закон сохранения энергии отменить нельзя, и, поглотив энергию УФ-излучения, фотокатализатор рассеивает её, испуская фотоэлектроны, которые способствуют формированию свободных радикалов, которые, например, могут расщеплять воду на кислород и водород. Что касается кремов против загара, очевидно, что одна потенциальная опасность для здоровья (ультрафиолет) меняется на другую (активные радикалы): входящие в состав солнцезащитных кремов частицы TiO₂ покрывают защитным слоем из оксида кремния или оксида алюминия. В других случаях радикалы даже полезны – они могут убивать патогенные микроорганизмы. В настоящее время проходят испытания дезинфицирующие поверхности, покрытые тонким слоем частиц TiO₂. Хорошие перспективы фотокаталитического способа обеззараживания обуславливаются ещё и тем, что, как показали новые исследования, легирование диоксида титана серебром или азотом позволяет получать активные радикалы без ультрафиолета – просто при облучении видимым светом.

Диоксид титана практически одновременно и независимо друг от друга в 1791 году сделали английский викарий Уильям Грегор и немецкий химик Мартин Генрих Клапрот. Грегор растворил образец руды, с которой работал (он называл её «менакеновая земля»), в кислоте, получив бесцветный раствор, который реагировал с цинком, приобретая пурпурную окраску. В 1795 году Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном, а спустя пару лет сделал вывод о том, что открытый им рутил и образец, с которым работал Грегор, представляют собой одно и то же вещество. Клапрот подобрал новому элементу название из древнегреческой мифологии в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру, не желая идти на поводу традиций французской химической школы, в соответствии с правилами которой элемент старались называть по его химическим свойствам. Получение металлического титана впервые удалось Йёнсу Берцелиусу, однако до середины ХХ века ни один из способов получения металлического титана не отвечал требованиям, необходимым для промышленного получения этого металла: выходы были невысокие, а металл получался низкой степени очистки – одна из причин этого заключается в том, что при высоких температурах титан реагирует с азотом с образованием нитрида TiN.

В 1940 году был разработан современный промышленный способ получения титана – процесс Кролла. В соответствии с ним оксид титана превращают в хлорид титана TiCl₄, пропуская над смесью порошков диоксида титана и угля хлор, затем в атмосфере аргона хлорид титана обрабатывают металлическим магнием, получая в результате титан (способ получения металлов вытеснением из их соединений другими металлами называется «металлотермия»). Хотя титан – десятый по распространённости в земной коре элемент, сложности с выделением титана из руды делают его промышленное производство более тяжелым, чем производство, например, более редкой для земной коры меди. Это, в свою очередь, обуславливает то, что применение металлического титана затрагивает весьма специализированные области, определяемые его свойствами.

Наиболее ценное свойство металлического титана – его химическая инертность, которая, как и для алюминия, объясняется тем, что на поверхности металла образуется защитная оксидная плёнка. Плотность титана (4,5 г/см³) больше, чем у алюминия (2,7 г/см³), но титан прочнее алюминия, и для аэрокосмической техники применяют титано-алюминиевые сплавы. Из титанового сплава был выполнен корпус сверхзвукового разведчика ВВС США «Блэкбёрд SR-71» – самого быстрого воздушного корабля. Титановые конструкции используются для изготовления двигателей и корпусов пассажирских самолётов. Металлический титан устойчив к действию морской воды, что позволяет делать из него гребные винты надводных и подводных судов, строить корпуса подводных лодок. Любопытно, что тот самый нитрид титана, который долгое время мешал выделению металла, тоже нашел своё применение – благодаря его жёлтому цвету, очень похожему на золото, его используют для покрытия инструментов, куполов церквей и в бижутерии.

23. Ванадий

На факультете, где я работаю, не принято заваливать студентов на экзаменах (многие из них сами отлично справляются с тем, чтобы завалить себя), нет такой привычки и у меня, но, как говорится, в жизни нужно быть готовым ко всему. И, если бы мне вдруг поставили задачу, от которой я бы не смог отказаться, – снизить оценки и поставить двойки как можно большему числу первокурсников на экзамене по неорганической химии, я бы смог решить её с помощью всего лишь одного дополнительного вопроса: «Пожалуйста, запишите все формы, в которых ванадий может находиться в растворе, приведя их цвета».

Этот вопрос действительно сможет поставить в тупик многих – названный в честь скандинавской богини любви, красоты и войны Фрейи (истинное имя Фрейи – Ванадис, дочь ванов), ванадий проявляет в соединениях степени окисления от –1 до +5. Соединения ванадия с разными степенями окисления в водном растворе окрашены во все цвета радуги, а способность некоторых форм ванадия участвовать в процессах гидролиза и полимеризации, пожалуй, делает химию ванадия наиболее богатой по сравнению с другими химическими элементами. В водных растворах преимущественно присутствуют три наиболее высоких степени окисления ванадия (+3, +4 и +5), в этих же формах ванадий входит в большинство своих минералов.