Проблема химического элемента

Концепция химического элемента появилась в химической науке в результате стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Она просуществовала более двух тысяч лет. Однако лишь в XVII веке Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Тем не менее, еще целый век химики делали ошибки в выделении химических элементов. Дело в том, что, сформулировав понятие химического элемента, химики еще не знали ни одного из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, они пользовались считавшимся тогда универсальным методом прокаливания — окалину принимали за элемент. Так что известные тогда металлы — железо, медь, свинец — принимали за сложные тела, состоявшие из соответствующего элемента и универсального тела — флогистона. Тем не менее, именно флогистонная теория, ложная по сути, оказалась двигателем многих исследований, приведших в конечном итоге к правильным выводам.

Этот вывод был сделан Д. И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от места данного элемента в периодической системе, определяемого зарядом ядра атома. В XX веке физика помогла установить сложную структуру атома любого химического элемента. Атом представляет собой единую квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов в котором зависит реакционная способность элемента. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6−7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород): они стремятся достроить свою электронную оболочку, присоединив недостающее число электронов; а также металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1 — 2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий), стремящиеся их отдать для его достройки. На этом основано понятие валентности — способности атома к образованию химической связи.

Сегодня науке известно более ста химических элементов, но их удельное содержание в природе крайне неравномерно. Так, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород (47%), кремний (27,5%), алюминий (8,8%), железо (4,6%), кальций (3,6%), натрий (2,6%), калий (2,5%), магний (2,1%). Однако используются эти элементы непропорционально. Например, железа в Земле содержится в два раза меньше, чем алюминия. Но сегодня более 95% всех металлических изделий изготовляются из железно-рудного сырья. Поэтому в современной химии концепция химического элемента выступает как проблема рационального использования химических элементов.

Прежде всего, исследования в этой области направлены на изучение и использование силикатов, которые составляют 97% массы земной коры. Отсюда вполне естественно убеждение ученых, что силикаты должны стать основным сырьем для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Внимание химиков к этим двум видам материалов не случайно: именно металлы и керамика составляют на 90% современную материально-техническую базу производства. В мире ежегодно производится около 600 млн. тонн металла — более 150 кг на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится и керамики вместе с кирпичом. Однако изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем керамики. Разница в их стоимости до недавнего времени никого особенно не волновала, так как каждый материал имел свое строго определенное назначение. Но сегодня благодаря химии все больше открывается возможностей для замены металла керамикой. Здесь существенными являются два обстоятельства: производство керамики намного легче в техническом отношении и выгоднее экономически, а, главное, керамика по своим показателям оказывается более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом.

Очевидное преимущество керамики состоит в том, что ее плотность на 40% ниже, чем плотность металлов, что позволяет, соответственно, снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А при использовании в производстве керамики новых химических элементов — циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и др. — можно получать керамические изделия с заранее заданными свойствами. Так, в последнее время была синтезирована огнеупорная, термостойкая, высокотвердая керамика с набором заданных электрофизических свойств.

Впервые в мире в 60-х годах в нашей стране был получен сверхтвердый материал — гексанит-Р, представляющий собой одну из разновидностей нитрида бора с температурой плавления 3200 градусов по Цельсию и твердостью, близкой к твердости алмаза. У него отсутствует хрупкость, присущая керамике. Такая керамика производится методом прессования порошков с получением необходимых форм и размеров, что делает ненужной механическую обработку изделий. Еще одно преимущество керамики перед металлами — сверхпроводимость при температуре кипения азота (- 195,8° С). Практическая реализация высокотемпературной сверхпроводимости открывает огромные перспективы для создания сверхмощных двигателей и генераторов, транспортных систем на магнитной подушке, разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей и т. п.

Однако подлинный переворот в теории химических элементов произвела химия фторорганических соединений. Она открыла совершенно новый мир органических веществ. Дело в том, что фторуглероды обладают исключительной устойчивостью даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей, особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси. Поэтому изделия из фторуглерода принимаются в качестве материала для изготовления внутренних органов человека (например, сердечных клапанов, кровеносных сосудов и т. д.).

Синтез уникальных материалов заставляет по-новому исследовать все химические элементы и накапливать данные для новых концепций химических элементов.