Табиғатта аз тараған, бірақ тіршілікте және техникада көп қолданылатын элементтер

Жоспар:

1. Табиғатта аз тараған, бірақ тіршілікте және техникада көп қолданылатын элементтер

2. Таралу декадасы

3. Сирек элементтердің жіктелуі

4. Сирек элементтер атомдарының валенттігі және өлшемі туралы

5. Сирек металдарды жүйелеу

6. Сирек элементтер технологиясының ерекшеліктері

7. Сирек элементтер өндірісінің даму тарихына қысқаша шолу

Д. И. Менделеев «Химия негіздері» еңбегінің кіріспесінде элементтер мен жәй заттарды «химиялық білімнің негізі» деп қарастыра отырып, олардың табиғаттағы әр түрлі таралуын көрсеткен және ең кең тараған деп келесі 14 элементті атаған: сутек, көміртек, азот, оттек, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, күкірт, хлор, калий, кальций және темір. Д. И. Менделеевтің пікірі бойынша, табиғатта аз тараған, бірақ тіршілікте және техникада көп қолданылатын 23 элемент бар. Олар: литий, бор, фтор, хром, марганец, кобальт, никель, кадмий, қалайы, сүрме, йод, барий, платина, алтын, сынап, қорғасын және висмут.

«Сирек, бірақ жақсы танымалдарға» 14 элемент жатады: берилий, титан, ванадий, селен, цирконий, молибден, палладий, цезий, вольфрам, осмий, иридий, талий, торий, және уран. Бұл элементтерді Д. И. Менделеев «аз қолданылатын» деп сипаттайды. Сонымен қатар, «өте аз кездесетін, әрі іс жүзінде қолданылмайтындарға» келесі 18 элемент жатқызады: скандий, галий, германий, рубидий, иттерий, ниобий, рутений, родий, индий, теллур, цезий, лантан, неодим, празеодим, самарий, иттербий, эрбий, тантал.

Инертті газдарды Д. И. Менделеев жәй заттардың ерекше тобына біріктірді - гелий, неон, аргон, криптон және ксенон, ал радий жайында бөлек ескерді.

Д. И. Менделеев сол кезде жер қыртысындағы элементтердің жайында сандық сипаттама бере алмады, бірақ қазіргі ғылыми мәліметтерді жер қыртысындағы элементтер мөлшерінің сандық мөлшері салмағы бойынша пайызбен көрсетілген. Элементтердің бұл салмақтың мөлшерін салмақтық кларк деп атайды. Ең алғашқы кларк мәндерін бірқатар ғалымдар әрдайым толықтырып, жаңадан қарастырып отырды, солардың ішінде В. И. Вернадский, А. Е. Ферсманды, А. П. Виноградовты, В. Г. Хлопинді, ал шет елдерден - Кларкті, Гольдшмидті, Вашингтонды, Хевешинді ерекше атап өту керек.

1 кестеде В. И. Вернадский ұсынған элементтердің «таралу декадасындағы» орналасуы келтірілген.

Осы кесте мәліметтері бойынша олардың таралуының әр түрлі екенін байқауға болады: бірінші екі декадағы барлығы 9 элемент кіреді, олардың үлесіне жер қыртысы салмағының 98, 1%-ы жатады; үшінші декаданың 6 элементіне 1, 5% жатады; ал қалған элементтердің барлығына 0, 4%. Сонымен қатар, жер қыртысындағы кейбір элементтердің мөлшері милиард есе айырылуы мүмкін. Элементтердің кларктарын қарастырғанда, олардың мәндерін тұрақты деп санауға болмайды. Ол мәндер жылдан-жылға минералогиялық, химиялық және физика-химиялық анализдің дамуына байланысты, пайдалы кен қазбаларының жаңа орындары ашылған сайын, элементтер қасиеттері туралы білім тереңдеген сайын өзгере береді.

1 кесте. И. Вернадский ұсынған элементтердің «Таралу декадасы»

Ең алдымен, бұл аз таралған элементтерге қатысты, себебі жер қыртысының барлық элементтерінің 99, 6% құрайтын оттек, кремний алюминий т. б. бірінші декаданың элементтеріне мұндай өзгерістер айтарлықтай әсер етпейді.

1 кестеде алдыңғы декадалар элементтерінің Менделеевтің топтастыруы қазіргі топтастықпен толық сәйкестігін байқауға болады. Бірақ Д. И. Менделеев жер қыртысындағы элементтердің аз немесе көп таралуын тек атап қана кетпей, «сутек, натрий, магний және темірдің бізден алыс ғарыштағы жұлдыздар да бар екені, жерде жай дене түрінде пайда болғаны заттардың бүкіл ғарышқа тарайтындығын дәлелдейді, - дейді ол, - ал неліктен табиғаттағы жай заттардың салмағы басқалардан жоғары екенін біз әлі білмейміз».

Д. И. Менделеевтің кейбір жай заттар табиғатта неліктен көбірек кездесетіні туралы сурағаны В. И. Вернадский мен А. Е. Ферсман негізін қалаған қазіргі геохимия жауап береді.

В. И. Вернадскийдің анықтауы бойынша, геохимия «химиялық элементтерді, яғни жер қыртысының атомдарын ғылыми зерттейді. Ол олардың тарихын, таралуын және кеңістікте - уақытта жылжуын, біздің планетамыздағы генетикалық қатынасын зерттейді. Ол жер жер тарихының кеңістігі мен уақытында атом-молекулалардың қосылу тарихын зерттейтін минералогиядан күрт өзгеше. Геохимия жер шарымен қатаң шектелген аймақта ғарыштың шексіз аймақтарында болуы мүмкін деп болжаған құбылыс пен заңдылықтарды ашады.

Қазір біз үшін химиялық элементтердің сол ғарыш материалдарында, жұлдыздарда, планеталарда, атомдық бұлттарда, ғарыш маңдарында ретсіз қалай болса солай таралмағаны айқын. Олардың таралуы атомдардың құрылысына тәуелді.

Геохимияны осылай түсіну тек қазіргі заманда атом құрылысы және элемент туралы түсініктің толықтырылуына байланысты дами бастайды. Геохимияның дамуына «атақты ғылыми жалпылама» (В. И. Вернадский элементтедің периодтық заңын осылай атайды) әсерін тигізді. Ол Д. И. Менделеевтің «Химия негізі» еңбегіндегі «геохимия және ғарыштық химияның мәселелері тек ашылып қоймай, маңызы бойынша бірінші қатарға ығыстырғанын» атап өтеді.

Шын мәнінде жер қыртысындағы элементтердің әр түрлі таралуы туралы сұрағына Менделеев өзі ұсынған периодтық заңмен жауап берді. Жер қыртысы жайында айта отырып, В. И. Вернадский «жер қыртысының химиялық құрамы оны құрайтын атомдардың құрылысымен байланысты» екенін тағы да ескертті.

Жер қыртысында ең көп тараған - ол атом құрылысы қарапайым элементтер - периодтық жүйенің бірінші үш қатарының элементтері (литий, берилий, борды санамағанда) . Атом құрылысындағы симметрия өте маңызды әсер береді, себебі ол ядроның оң зарядының жүп санымен байланысты. Белгілі Гаркине ережесі бойынша, жүп санды элементтер тақ сандылармен салыстырғанда көбірек таралады. Бұл ереже әсіресе сирек жер элементтерінде анық байқалады. Оны Гольдимидт атақты диаграммасында көрсеткен.

Менделеев кестесіндегі үлкен периодтардың элементтерінде - ІV периодта скандийден германийге дейін, V периодта иттрийден қалайыға дейін және VІ периодта лантаннан қорғасынға дейін - элементтердің жер қыртысындағы таралуының олардың периодтық жүйеде орналасуына тәуелділігі анық байқалды. Элементтің кларк мәнінің оның периодтық жүйеде орналасуына (элементтің реттік нөмірі) тәуелділігі график түрінде келтірілген.

Период саны неғұрлым төмен болса, яғни элементтің реттік нөмірі жоғары болса, жер қыртысындағы атом санының абсолюттік мөлшері соғұрлым төмен екендігін көреміз.

Қазіргі ғылымның кейбір салалары - ядролық физика, астрофизика, «ядролық геология» - атомдық ядролардың таралу теориясын тек жерге қатысты емес, күн жүйесінің барлық денелеріне тиісті қарастырумен айналысады.

Бұл жайды осы жерде қарастырмай-ақ (олар В. В. Чердынцевтің арнайы кітабында қарастырылған) элементтердің жер қыртысында таралу мөлшері жалпы күн жүйесіне де сәйкес деп санауға болмайтынын атап кетеміз: себебі кейбір элементтер жер қыртысында өте аз (мысалы гелий (10 ^-6 ) ), ал күнде кеңінен тараған.

Элементтердің жер қыртысында таралуы тек ядро құрылысымен ғана емес, жалпы атом құрылысымен де байланысты: қосылыстар түзілу (миниралдар) элементтер арасындағы байланыс электрондық бұлттардың құрылысына және оған тәуелді факторларға тәуелді.

А. Е. Ферсман 1932 жылы элементтің сиректігі туралы түсінікті ұсынып, кейін оны дамытты және оның атомының құрылысымен негізделетін қасиет екенін көрсетті. Ол «Атом қасиеттері және оның құрылымы тек қана элементтердің ғана емес, сонымен қатар миниралдардың да байланысу және таралу заңдылықтары анықтайды. Міне, геохимияның бүгінгі жағдайы осындай . . . », - деп тұжырымдайды.

Геохимия бойынша элементтің «сиректігін» ферсман келесі үш себеппен түсіндіреді:

1. Элементтің атом құрылысымен байланысты сиректігі және соның нәтижесіндегі тұрақсыздығы;
2. Элементтің жердің терең аймақтарында жинақталуының арқасында оның беткі қыртысында аз болуы;
3. Элементтің жинақталуына кедергі келтіретін химиялық қасиеттердің ерекшеліктері.

Осыған байланысты Ферсман сирек элементтерді үш топқа бөлді:

І. Жалпы сирек:

а) Li, Be, B- ғарыштың тапшы элементтері

б) Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ti, Bi, Th, U - ядросының заряды жоғары элементтер

в) Po, Ra, Ac, Th, Pa, U - радиоактивтік ыдырау элементтері

ІІ. Жер қыртысындағы сирек кездесетін, себебі жердің біз зерттей алмайтын қабатында жинақталады (яғни, атом- және гидросфераны қосқанда 16 км қабаттан төмен жинақталатын элементтер) :

а) Ge, W, Mo, Ni, Co - сидерофилдер деп аталған;

б) Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt және Au - платиналық металдар;

в) Se, Te, As, Sb, Bi - шамалап.

ІІІ. Химиялық қасиеттері ерекше болғандықтан сирек элементтер:

а) He, Ne, As, Kr, Xe - асыл және инертті газдар;

б) Li, Be, B, F, Sc, V, Ga, Br, Rb, Y, Nb, In, I, Cs, сирек жер элементтер, Re, Ta, Hg, Tl - реттік нөмірі тақ типтік сирек элементтер

Кестеде кларк мәндерінің әр түрлі екені байқалды: кейбір элементтер үшін өзгермеген, ал кейбіреулері үшін Ферсманның мәліметтері Кларктікімен салысьырғанда төменірек, оны салмақтық пайызды туралап табумен түсіндіруге болады, ал кейбір элементтер үшін мәндердің өте жоғарлауы байқалады. Оны жаңа кен орындарының ашылуымен, анализ есептерінің жоғарлауымен түсіндіруге болады. Әсіресе қатты ауытқулар мың және оң мың есе - талий, индий, галий, ванадий, цезий үшін. Кларк жұмысынан кейін мезгілде жиырылған осы элементтер туралы мәліметтер оларды «аса сирек» тобынан азды-көпті тараған элементтер қатарына қосуға мүмкіндік берді.

Кларк және Вашингтон 1924 жылы, А. Е. Ферсман 1933 - 1939 жылдары, А. П. Виноградов 1950 жылы ұсынған сирек элементтердің кларктары келтірілген (2 кесте) .

2-кесте. Сирек элементтер кларктары

Ал А. П. Виноградов ұсынған кларктар Кларк және Вашингтон, А. Е. Ферсман мәліметтерінен қатты айырылады, себебі, ол тек элементтердің литосферадағы мөлшерін есептеген, ал Кларк пен Ферсман жер қыртысын толық, яғни лито-, атмо- және гидросфераны есептеген.

Осыған дейін біз тек сирек элементтер туралы айттық, ал «сирек металл» деген түсінікті қозғамадық. «Элемент» және «металл» түсініктері арасында үлкен айырмашылық бар екенін естен шығармау керек. Біз элементтерді және олардың табиғаттағы салыстырмалы және абсолюттік сиректігін қарастырғанда практикалық қолданылыуын адам қажеттілігі тұрғысынан қарастыратын болсақ, біз оны жай зат ретінде - оның химиялық және физикалық қасиеттеріне байланысты металл немесе бейметалл - адам тіршілігінде бос күйінде немесе әр түрлі қосылыстар түрінде қолданылатындығын қарастырамыз.

Жай заттың және оның қосылыстарының қолдану дәрежесі сол дәуірдегі қоғамның өндіріс күштерінің даму деңгейіне тәуелді. В. И. Вернадский және А. Е. Ферсман әр түрлі тарихи дәуірлерді салыстырып, адамға белгілі болғанын көрсеткен.

Бұдан ғылым мен техника дамыған сайын адамның пайдаланған элементтер санының өскенін байқаймыз, ал ХІХ және ХХ ғасырда ол кеңінен дамиды. Егер ежелгі кезде тек бос күйінде кездесетін металдар (алтын, күміс) және металдарды оңай жолдармен өңдеуге болатын сыртқы сипатымен тез көзге түсетін кендер (колчедан, қалайы тастар және т. б. ), ал ал қазір бірнеше ғылымдардың дамуының арқасында (геология, минерология, аналитикалық және беорганикалық химия, физикалық химия, электрохимия, электротехника, металлургия және т. б. ), сонымен қатар техникалық ойдың өрістеп дамуының арқасында біз басқа да өте көп металдарды қолданамыз.

Айтылғанның бәрі «сирек» металдарға толығымен тиісті. «Сирек металл» терминін химиялық элементтің сипаттамасы ретінде қарастыру керек. Сирек металл деген түсінік - тарихи түсінік. Мысалы, алтын ежелгі заманнан белгілі, бірақ оны ешкім сирек деп атамайды, ал празеодим алтынға қарағанда 20 есе көбірек тараған, оны сиректерге жатқызады.

ХІХ ғасырдың соңында таралу жағынан үшінші элемент алюминий пайда болды. Ол жаңа әрі қымбат, сондықтан да сирек металдарға жататын, себебі оны өндірістік көлемде таза күйінде алуын білмейтін. 1889 жылы Д. И. Менделеев Лондондық химиялық қоғамынан сыйлық ретінде «алюминий мен алтыннан аса бағалы ваза және кубок» алған болатын.

Қазіргі заманда алюминий тағдыры титан сүріп жатыр, ол сирек металдарға жататын, ал қазір табиғаттағы таралуынан да, алу және қолдану көлемінен де ол сиректерге жатпайды. Сондықтан да «сирек металл» деген түсінікті тарихи дамуын ескермей қолдану және қоғамдағы қолдану дәрежесін есте ұстамай пайдалану дұрыс емес.

Сондықтан біз геохимия мектебінің көзқарасын ұстана отырып элементтің сиректігін, оның атом құрылысына тәуелді өасиет деп түсінеміз және де сирек элемент деп табиғатта аз тараған, кларк мәні төмен (шамамен 0, 001% төмен) элементті айтамыз.

Сирек металдар деп өндіру күштерінің даму дәрежесі өте жоғары болғанда өндірілетін, қазіргі кезде әлі өндірілмейтін және өте аз мөлшерде қолданылатын металдарды атайды. Сонымен, «сирек металдар» түсінігіне тарихи мағына кіреді, ол оның технологиясының даму жолын ескереді және ақзіргі техникадағы маңызын білдіреді.

Жаңа сирек элементтер ашылған сайын және белгілі сирек элементтердің қасиеттерін зерттей келе оларды бірнеше топқа бөлген, мысалы, инертті газдарды бір топқа қосқан, екінші топқа - платина тобының және басқа асыл металдар кірген. Осы элементтер тобы бойынша арнайы әдебиет өте көп. Соған байланысты бұл кітапта аталған элементтер қарастырылмайды (уран және торийден басқалары!. Бұл металдар - уран және торий - радиоактивтілік қасиет ашылмай тұрып, радиоактивтілікке тиісті техникада қолданыс тапқан.

Скандий, иттрий және сирек жер тобының элементтері (лантанидтер немесе лантаноидтар) соңғы кезге дейін техникада және өндірісте қолданылмайтын (церийден басқалары) . Қазір олар тек ғылым жағынан ғана қызықтырады. Оын қарастыруға бөлек бір тарау арналады.

Бұл кітапта жер қартысында кең тараған, бірақ әлі техникада қолданбағаннан кейін сирек металдарға жататын - цирконий және гафний қарастырылады.

Металл терминін қатал химиялық тұрғыдан қарастырса селен және теллур металдарға жатпайды, бірақ олардың техникадағы маңызы өрлеп өсті, сондықтан олар да қарастырылатын элементтер қатарына қосылды.

Сонымен кітапта келесі сирек металдар қарастырылған: литий, рубидий, цезий, берилий, скандий, иттрий, лантан және сирек жер тобының басқа элементтері, торий, уран, галий, индий, таллий, германий, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам және рений - барлығы 44 металл және селен мен теллур.

Сирек элементтер атомдарының валенттігі және өлшемі туралы

Сирек металдардың химиялық сипаттамасы үшін ең маңыздысы - олардың ауыспалы валенттік қасиеттері. Ауыспалы валенттік металдардың геохимиясында, химиясында және технологиясында аса маңызды фактор болып табылады. В. И. Вернадский «атомның әр валенттігін өз геохимияның тарихында, ерекше химиялық элемент түрінде қарастыру керек, » - дейтін.

Химиялық тұрғыдан бір элемент әр түрлі валенттік жағдайында әр түрлі қасиет білдіруі мүмкін, сондықтан оның технологиялық мәселелері де әр түрлі шешілуі мүмкін.

Кейбір - ванадий, ниобий, молибден, вольфрам, уран, рений сияқты сирек элементтердің ауыспалы валенттігі олардың реакциялық қабілетінің жоғарлылығын түсіндіреді, себебі олар көп алуан түрлі химиялық қосылыстар түзеді.

Бұл элементтер қанық боялған қосылыстар береді, өздері екпінді тотықтырғыштар және тотықсыздандырғыштар. Олардың электродтық қабат құрылымының ерекшеліктерінен қосылыстарының каталитикалық активтілігі де байланысты болуы мүмкін. керісінше, валенттігі тұрақты элементтер үшін химиялық қосылыстардың түрі де саны да аз және олар түсті қосылыстарды сирек береді. Сирек металдардан тек бірнешеуі ғана соларға жатады. Олар: литий, рубидий, берилий шамамен галий, индий, таллий. Осыған байланысты сирек металдардың көпшілігіне ерекше қасиеттер тән, соның арқасында олар ғылым мен техникаға бағалы да қызық болып табылады.

Элементтің маңызды сипаттамасы - ол оның атомының өлшемі немесе радиусы. Атом немесе ионның өлшемі кейбір элементтердің нашарлауына, ал кейбіреулерінің жинақталуына әкелетін (кендердің түзілуі) геохимияның негізгі мәселесі элементтердің миграциялық заңдылықтарын зерттеуде маңызды орын алады. Миграция әр түрлі факторларға тәуелді, ең алдымен атомның физика-химиялық қасиеттерінен, соның ішінде миграциялайтын ионның радиуысынан.

Д. И. Менделеевтің кестесінде атом радиустарының мәндері көрсетілген (ангстремда) . Атом радиустары шеңбер ішінде келтірілген, ал шеңбер өлшем атом өлшеміне пропорционал. Атомдық және иондық радиустары шартты мәндері ғана қарастыруға болатынын ұмытпау керек, себебі ион-аралық қашықтықтар сыртқы жағдайда да, заттың құрылымына да тәуелді.

Іс жүзінде шартты немесе «тиімді» радиустарды қолдануға әбден болады. Периодтық жүйенің әр түрлі тобында орналасқан элементтердің, мысалы, литий және магний, таллий және рубидий, атом немесе ион радиустарының мәндерінің жақындығы элемент қасиеттерінің ұқсастығын білдіреді. Элемент - аналогтарды (цирконий және гафний, ниобий және тантал, молибден және вольфрам) платина тобының металдары және сирек жер тобын бөлудегі белгілі аналитикалық және технологиялық қиындықтар олардың электрондық құрылымдарының ұқсастығымен немесе атом және иондарының радиус мәндерінің жақындығымен түсіндіруге болады.

---

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.

• Іс жүргізу
• Автоматтандыру, Техника
• Алғашқы әскери дайындық
• Астрономия
• Ауыл шаруашылығы
• Банк ісі
• Бизнесті бағалау
• Биология
• Бухгалтерлік іс
• Валеология
• Ветеринария
• География
• Геология, Геофизика, Геодезия
• Дін
• Ет, сүт, шарап өнімдері
• Жалпы тарих
• Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
• Журналистика
• Информатика
• Кеден ісі
• Маркетинг
• Математика, Геометрия
• Медицина
• Мемлекеттік басқару
• Менеджмент
• Мұнай, Газ
• Мұрағат ісі
• Мәдениеттану
• ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
• Педагогика
• Полиграфия
• Психология
• Салық
• Саясаттану
• Сақтандыру
• Сертификаттау, стандарттау
• Социология, Демография
• Спорт
• Статистика
• Тілтану, Филология
• Тарихи тұлғалар
• Тау-кен ісі
• Транспорт
• Туризм
• Физика
• Философия
• Халықаралық қатынастар
• Химия
• Экология, Қоршаған ортаны қорғау
• Экономика
• Экономикалық география
• Электротехника
• Қазақстан тарихы
• Қаржы
• Құрылыс
• Құқық, Криминалистика
• Әдебиет
• Өнер, музыка
• Өнеркәсіп, Өндіріс