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Synthetische und künstliche Verbindungen mit hohem Molekulargewicht. Anwendungen von D-Elementen und ihren Verbindungen Andere industrielle Anwendungen

d-ELEMENTE UND IHRE VERBINDUNGEN

1. Allgemeine Eigenschaften von D-Elementen

Der d-Block umfasst 32 Elemente des Periodensystems. d-Elemente sind in der 4.-7. Hauptperiode enthalten. Atome der Gruppe IIIB haben das erste Elektron im d-Orbital. In nachfolgenden B-Gruppen ist die d-Unterebene mit bis zu 10 Elektronen gefüllt (daher der Name d-Elemente). Die Struktur der äußeren Elektronenhüllen der d-Block-Atome wird durch die allgemeine Formel (n-1)d beschrieben A ns B , wobei a = 1-10, b = 1-2.

Ein Merkmal der Elemente dieser Perioden ist eine überproportional langsame Zunahme des Atomradius mit zunehmender Elektronenzahl. Diese relativ langsame Änderung der Radien erklärt sich durch die sogenannte Lanthanidenkompression aufgrund des Eindringens von ns-Elektronen unter die d-Elektronenschicht. Dadurch kommt es mit zunehmender Ordnungszahl zu einer leichten Veränderung der atomaren und chemischen Eigenschaften der d-Elemente. Die Ähnlichkeit der chemischen Eigenschaften zeigt sich in der charakteristischen Eigenschaft von D-Elementen, mit einer Vielzahl von Liganden komplexe Verbindungen zu bilden.

Eine wichtige Eigenschaft von d-Elementen ist die variable Wertigkeit und dementsprechend eine Vielzahl von Oxidationsstufen. Dieses Merkmal hängt hauptsächlich mit der Unvollständigkeit der voräußeren d-Elektronenschicht zusammen (mit Ausnahme von Elementen der IB- und IIB-Gruppen). Die Möglichkeit der Existenz von d-Elementen in unterschiedlichen Oxidationsstufen bestimmt ein breites Spektrum an Redoxeigenschaften der Elemente. In niedrigeren Oxidationsstufen weisen d-Elemente die Eigenschaften von Metallen auf. Mit zunehmender Ordnungszahl in den Gruppen B nehmen naturgemäß die metallischen Eigenschaften ab.

In Lösungen zeigen sauerstoffhaltige Anionen von d-Elementen mit der höchsten Oxidationsstufe saure und oxidierende Eigenschaften. Kationische Formen niedrigerer Oxidationsstufen zeichnen sich durch basische und reduzierende Eigenschaften aus.

D-Elemente in mittleren Oxidationsstufen weisen amphotere Eigenschaften auf. Diese Muster können am Beispiel von Molybdänverbindungen betrachtet werden:

Mit einer Änderung der Eigenschaften ändert sich die Farbe von Molybdänkomplexen in verschiedenen Oxidationsstufen (VI - II):

In der Zeit mit zunehmender Kernladung wird eine Abnahme der Stabilität von Verbindungen von Elementen in höheren Oxidationsstufen beobachtet. Parallel dazu steigen die Redoxpotentiale dieser Verbindungen. Die größte Oxidationsfähigkeit wird bei Ferrationen und Permanganationen beobachtet. Es ist zu beachten, dass bei d-Elementen mit zunehmender relativer Elektronegativität die sauren und nichtmetallischen Eigenschaften zunehmen.

Da die Stabilität von Verbindungen beim Übergang von oben nach unten in B-Gruppen zunimmt, nehmen gleichzeitig ihre oxidierenden Eigenschaften ab.

Es kann davon ausgegangen werden, dass im Laufe der biologischen Evolution Verbindungen von Elementen in mittleren Oxidationsstufen ausgewählt wurden, die sich durch milde Redoxeigenschaften auszeichnen. Die Vorteile einer solchen Auswahl liegen auf der Hand: Sie tragen zum reibungslosen Ablauf biochemischer Reaktionen bei. Eine Verringerung des RH-Potentials schafft die Voraussetzungen für eine subtilere „Regulation“ biologischer Prozesse, die für einen Energiegewinn sorgt. Die Funktion des Körpers wird weniger energieintensiv und daher sparsamer bei der Nahrungsaufnahme.

Aus evolutionärer Sicht wird die Existenz von D-Elementen in niedrigeren Oxidationsstufen für den Organismus gerechtfertigt. Es ist bekannt, dass Mn-Ionen 2+, Fe 2+, Co 2+Unter physiologischen Bedingungen sind sie keine starken Reduktionsmittel, sondern Cu-Ionen 2+und Fe 2+zeigen praktisch keine regenerierenden Eigenschaften im Körper. Eine zusätzliche Abnahme der Reaktivität tritt auf, wenn diese Ionen mit bioorganischen Liganden interagieren.

Das oben Gesagte scheint im Widerspruch zur wichtigen Rolle bioorganischer Molybdän(V)- und (VI)-Komplexe in verschiedenen Organismen zu stehen. Dies steht jedoch auch im Einklang mit dem allgemeinen Muster. Trotz des hohen Oxidationsgrades weisen solche Verbindungen schwache oxidierende Eigenschaften auf.

Zu beachten ist die hohe Komplexierungsfähigkeit der d-Elemente, die meist deutlich höher ist als die der s- und p-Elemente. Dies wird hauptsächlich durch die Fähigkeit von d-Elementen erklärt, sowohl Donoren als auch Akzeptoren eines Elektronenpaars zu sein, das eine Koordinationsverbindung bildet.

Im Fall des Chromhydroxokomplexes [Cr(OH) 6]3-Das Metallion ist ein Elektronenpaarakzeptor. Hybridisierung 3d 24sp 3-Orbitale von Chrom sorgen für einen stabileren Energiezustand, als wenn sich Chromelektronen in den Orbitalen von Hydroxogruppen befinden.

Verbindung [СrСl 4]2-entsteht im Gegenteil dadurch, dass die einzelnen d-Elektronen des Metalls die freien d-Orbitale der Liganden besetzen, da in diesem Fall die Energie dieser Orbitale geringer ist.

Eigenschaften des Cr-Kations 3+zeigen die Variabilität der Koordinationszahlen von d-Elementen. Am häufigsten sind dies gerade Zahlen von 4 bis 8, seltener sind die Zahlen 10 und 12. Es ist zu beachten, dass es nicht nur einkernige Komplexe gibt. Es sind zahlreiche zwei-, drei- und vierkernige Koordinationsverbindungen von d-Elementen bekannt.

Ein Beispiel ist der zweikernige Kobaltkomplex [Co 2(NN 3)10(UM 2)](NEIN 3)5, das als Modell eines Sauerstoffträgers dienen kann.

Mehr als ein Drittel aller Mikroelemente im Körper sind D-Elemente. In Organismen liegen sie in Form komplexer Verbindungen oder hydratisierter Ionen mit einer durchschnittlichen Hydratationshüllenaustauschzeit von 10 vor -1bis 10 -10Mit. Daher kann argumentiert werden, dass „freie“ Metallionen im Körper nicht existieren: Sie sind entweder deren Hydrate oder Hydrolyseprodukte.

Bei biochemischen Reaktionen manifestieren sich D-Elemente am häufigsten als komplexierende Metalle. Bei den Liganden handelt es sich hierbei um biologisch aktive Substanzen, meist organischer Natur oder Anionen anorganischer Säuren.

Proteinmoleküle bilden mit D-Elementen bioanorganische Komplexe – Cluster oder Biocluster. Das Metallion (Metallkomplexbildner) befindet sich im Clusterhohlraum und interagiert mit den elektronegativen Atomen der Bindungsgruppen des Proteins: Hydroxyl- (-OH), Sulfhydryl- (-SH), Carboxyl- (-COOH) und Aminogruppen von Proteinen (H 2N -). Damit ein Metallion in einen Clusterhohlraum eindringen kann, muss der Durchmesser des Ions der Größe des Hohlraums entsprechen. So reguliert die Natur die Bildung von Bioclustern mit Ionen von D-Elementen bestimmter Größe.

Die bekanntesten Metalloenzyme: Carboanhydrase, Xanthinoxidase, Succinatdehydrogenase, Cytochrome, Rubredoxin. Es handelt sich um Biocluster, deren Hohlräume Zentren für die Bindung von Substraten mit Metallionen bilden.

Biocluster (Proteinkomplexe) erfüllen verschiedene Funktionen.

Transportproteinkomplexe transportieren Sauerstoff und notwendige Elemente zu den Organen. Die Metallkoordination erfolgt über den Sauerstoff der Carboxylgruppen und den Stickstoff der Aminogruppen des Proteins. Dabei entsteht eine stabile Chelatverbindung.

D-Elemente (Kobalt, Nickel, Eisen) fungieren als koordinierende Metalle. Ein Beispiel für einen eisenhaltigen Transportproteinkomplex ist Transferrin.

Andere Biocluster können die Rolle einer Batterie (Speicher) übernehmen – das sind eisenhaltige Proteine: Hämoglobin, Myoglobin, Ferritin. Sie werden bei der Beschreibung der Eigenschaften der Gruppe VIIIB berücksichtigt.

Die Elemente Zn, Fe, Co, Mo, Cu sind lebenswichtig und Bestandteil von Metalloenzymen. Sie katalysieren Reaktionen, die in drei Gruppen eingeteilt werden können:

Säure-Base-Wechselwirkungen. Das beteiligte Zinkion ist Teil des Carboanhydrase-Enzyms, das die reversible Hydratation von CO katalysiert 2 in Biosystemen.
Redox-Wechselwirkungen. Beteiligt sind Fe-, Co-, Cr- und Mo-Ionen. Eisen ist Teil von Cytochrom, während des Prozesses findet ein Elektronentransfer statt:

Fe 3+→ Fe 2++ E -

3.Sauerstofftransfer. Fe, Cu sind beteiligt. Eisen ist Teil des Hämoglobins, Kupfer ist Teil des Hämocyanins. Es wird angenommen, dass diese Elemente an Sauerstoff binden, von diesem jedoch nicht oxidiert werden.

D-Element-Verbindungen absorbieren selektiv Licht unterschiedlicher Wellenlänge. Dies führt zum Auftreten von Farbe. Die Quantentheorie erklärt die Selektivität der Absorption durch die Aufspaltung von d-Unterniveaus von Metallionen unter dem Einfluss des Ligandenfeldes.

Die folgenden Farbreaktionen auf D-Elemente sind bekannt:

Mn 2++S 2-= МnS↓ (fleischfarbenes Sediment)

Нg 2++ 2I -= НgI 2↓(gelber oder roter Niederschlag)

ZU 2Cr 2UM 7+ N 2ALSO 4(konz.) = K 2ALSO 4+ N 2O + 2СrО 3↓

(orangefarbene Kristalle)

Die oben genannten Reaktionen werden in der analytischen Chemie zur qualitativen Bestimmung der entsprechenden Ionen verwendet. Die Gleichung für die Reaktion mit Dichromat zeigt, was bei der Herstellung einer „Chrommischung“ zum Spülen von chemischem Geschirr passiert. Diese Mischung ist notwendig, um sowohl anorganische als auch organische Ablagerungen von der Oberfläche von Chemikalienflaschen zu entfernen. Zum Beispiel Fettflecken, die nach Berührung mit den Fingern immer auf dem Glas zurückbleiben.

Es ist zu beachten, dass D-Elemente im Körper die meisten biochemischen Prozesse in Gang setzen, die ein normales Leben gewährleisten.

Allgemeine Eigenschaften von D-Elementen der Gruppe VIB

Gruppe VIB besteht aus Elementen (Übergangsmetallen) – Chrom, Molybdän und Wolfram. Diese seltenen Metalle kommen in der Natur in geringen Mengen vor. Aufgrund einer Reihe nützlicher chemischer und physikalischer Eigenschaften werden sie jedoch nicht nur im Maschinenbau und in der chemischen Technologie, sondern auch in der medizinischen Praxis häufig verwendet (Cr-Co-Mo-Legierung wird in der Chirurgie und Zahnmedizin verwendet, Molybdän und seine Legierungen). werden als Teile für Röntgenröhren verwendet, Wolfram stellt Anoden für Röntgenröhren her, Wolframlegierungen - die Basis von Schirmen zum Schutz vor γ -Strahlen).

Konfiguration der Valenzelektronen Cr und Mo – (n-1)d 5ns 1, W - 5d 46s 2. Die Summe der Valenzelektronen von Chrom, Molybdän und Wolfram beträgt 6, was ihre Position in der VIB-Gruppe bestimmt. Bei Cr und Mo ist die letzte Elektronenschicht mit 13 Elektronen besetzt, bei W mit 12. Wie die meisten d-Elemente ist diese Schicht instabil. Daher ist die Wertigkeit von Chrom, Molybdän und Wolfram nicht konstant. Aus dem gleichen Grund sind Verbindungen von Metallen der Gruppe VIB durch eine Reihe von Oxidationsstufen von +2 bis +6 gekennzeichnet.

In der Gruppe der d-Elemente zeigt sich ein allgemeiner Trend: Mit zunehmender Ordnungszahl nimmt die Stabilität der Verbindungen mit der höchsten Oxidationsstufe zu. Das stärkste Oxidationsmittel im E-Zustand 6+ist Chrom. „Borderline“ Mo 6+weist schwache oxidierende Eigenschaften auf. Molybdänation MoO 42-erholt sich nur bis Mo 6UM 17(„Molybdänblau“), wobei einige der Molybdänatome eine Oxidationsstufe von +5 haben. Diese Reaktion wird in der analytischen Chemie für photometrische Bestimmungen genutzt.

In niedrigeren Valenzzuständen weist Cr, dem gleichen Trend folgend, stärker reduzierende Eigenschaften auf 2+. Für Mo-Ionen 2+und W 2+Eine Erhöhung der Ionisierungsenergie führt zu einer Verringerung der reduzierenden und metallischen Eigenschaften.

Komplexe Verbindungen dieser Elementgruppe weisen meist eine Koordinationszahl von 6 und eine Hybridisierung vom sp-Typ auf 3D 2, das im Raum durch ein Oktaeder beschrieben wird.

Ein charakteristisches Merkmal von Verbindungen dieser Gruppe ist die Tendenz, Sauerstoffformen von Elementen der Gruppe VI zu polymerisieren (zu kondensieren). Diese Eigenschaft wird verstärkt, wenn Sie sich von oben nach unten durch die Gruppe bewegen. Dabei entstehen Verbindungen vom Typ M 6UM 2412-, bestehend aus MoO-Oktaedern 4und W.O. 4. Diese Oktaeder bilden Polymerkristalle. Chrom(VI)-oxid weist die Fähigkeit zur Polymerisation auf, jedoch nur schwach. Daher weisen Molybdän- und Wolframoxide einen höheren Polymerisationsgrad auf.

Aufgrund der Struktur der elektronischen Hülle von Atomen mit unbesetztem d-Orbital, der Kombination physikalischer und chemischer Eigenschaften sowie der Tendenz zur Bildung elektropositiver Ionen und Koordinationsverbindungen gehören Elemente der Gruppe VI zu den Übergangsmetallen.

Chemische Eigenschaften von Chromverbindungen. Die meisten Chromverbindungen sind in verschiedenen Farben leuchtend gefärbt. Der Name stammt aus dem Griechischen. Chromos - Farbe, Färbung.

Verbindungen aus dreiwertigem Chrom (im Gegensatz zu Molybdänverbindungen und für Wolfram ist die Oxidationsstufe +3 überhaupt nicht charakteristisch) sind chemisch inert.

In der Natur kommt Chrom in dreiwertiger Form vor (Spinell – Doppeloxid MnСrO). 4- Magnochromit) und sechswertiger Zustand (PbСrO 4- Krokoit). Bildet Oxide basischer, amphoterer und saurer Natur.

Chrom(II)-oxid CrO – rote (rotbraune) Kristalle oder schwarzes pyrophore Pulver, unlöslich in Wasser. Entspricht Hydroxid Cr(OH) 2. Das Hydroxid ist gelb (nass) oder braun. Beim Erhitzen an der Luft entsteht Cr 2UM 3(Grüne Farbe):

Cr(OH) 2+ 0,5О 2= Cr 2Ö 3+ 2H 2UM

Kation Cr 2+- farblos, seine wasserfreien Salze sind weiß und seine wässrigen Salze sind blau. Zweiwertige Chromsalze sind energiereiche Reduktionsmittel. Zur quantitativen Absorption von Sauerstoff wird in der Gasanalyse eine wässrige Lösung von Chrom(II)-chlorid eingesetzt:

2СrСl 2+ 2НgО + 3Н 2O+0,5O 2= 2НgСl 2+ 2Cr(OH) 3↓

(schmutziger grüner Rückstand)

Chrom(III)-hydroxid hat amphotere Eigenschaften. Geht leicht in einen kolloidalen Zustand über. Es löst sich in Säuren und Laugen und bildet Aqua- oder Hydroxokomplexe:

Cr(OH) 3+ 3H 3UM += [Cr(H 2UM) 6]3+(blau-violette Lösung)

Cr(OH) 3+ 3OH -= [Cr(OH) 6]3-(smaragdgrüne Lösung)

Verbindungen des dreiwertigen Chroms weisen wie zweiwertiges Chrom reduzierende Eigenschaften auf:

Cr 2(ALSO 4)z+KSlO 3+ 10KON = 2K 2СrO 4 + 3K 2ALSO 4 + KCl + 5H 2UM

Chrom(VI)-Verbindungen sind typischerweise sauerstoffhaltige Chromkomplexe. Sechswertiges Chromoxid entspricht Chromsäuren.

Chromsäuren entstehen, wenn CrO in Wasser gelöst wird 3. Dabei handelt es sich um hochgiftige gelbe, orange und rote Lösungen mit oxidierenden Eigenschaften. CrO 3bildet polychrome Säuren der Zusammensetzung H 2Cr N UM (3n+1) : nCrО 3+ N 2O → N 2Cr N UM (3n+1) . Es kann mehrere solcher Verbindungen geben: N 2CrO 4, N 2Cr 2O 7, N 2

Wenn Sie Wissenschaftler fragen, welche der Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. Am wichtigsten ist, dass kaum jemand vergessen wird, die künstliche Synthese chemischer Elemente zu nennen. In kurzer Zeit – weniger als 40 Jahre – ist die Liste der bekannten chemischen Elemente um 18 Namen gewachsen. Und alle 18 wurden synthetisiert und künstlich hergestellt.

Das Wort „Synthese“ bezeichnet normalerweise den Prozess der Gewinnung aus einem einfachen Komplex. Beispielsweise ist die Wechselwirkung von Schwefel mit Sauerstoff die chemische Synthese von Schwefeldioxid SO 2 aus Elementen.

Die Synthese von Elementen kann so verstanden werden: die künstliche Herstellung eines Elements mit einer niedrigeren Kernladung und einer niedrigeren Ordnungszahl aus einem Element mit einer höheren Ordnungszahl. Und der Produktionsprozess selbst wird als Kernreaktion bezeichnet. Seine Gleichung wird auf die gleiche Weise geschrieben wie die Gleichung einer gewöhnlichen chemischen Reaktion. Auf der linken Seite sind die Reaktanten, auf der rechten Seite die resultierenden Produkte. Die Reaktanten einer Kernreaktion sind das Ziel und das bombardierende Teilchen.

Das Ziel kann jedes Element des Periodensystems sein (in freier Form oder in Form einer chemischen Verbindung).

Die Rolle bombardierender Teilchen spielen α-Teilchen, Neutronen, Protonen, Deuteronen (Kerne des schweren Wasserstoffisotops) sowie die sogenannten mehrfach geladenen schweren Ionen verschiedener Elemente – Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Neon, Argon und andere Elemente des Periodensystems.

Damit eine Kernreaktion stattfinden kann, muss das bombardierende Teilchen mit dem Kern des Zielatoms kollidieren. Wenn ein Teilchen eine ausreichend hohe Energie hat, kann es so tief in den Kern eindringen, dass es mit ihm verschmilzt. Da alle oben aufgeführten Teilchen außer dem Neutron positive Ladungen tragen, erhöhen sie bei ihrer Verschmelzung mit dem Kern dessen Ladung. Und eine Änderung des Wertes von Z bedeutet die Transformation von Elementen: die Synthese eines Elements mit einem neuen Wert der Kernladung.

Um einen Weg zu finden, bombardierende Teilchen zu beschleunigen und ihnen eine hohe Energie zu verleihen, die für die Verschmelzung mit Kernen ausreicht, wurde ein spezieller Teilchenbeschleuniger, ein Zyklotron, erfunden und gebaut. Dann bauten sie eine spezielle Fabrik für neue Elemente – einen Kernreaktor. Ihr direkter Zweck ist die Erzeugung von Kernenergie. Da darin jedoch immer intensive Neutronenflüsse herrschen, können sie leicht für künstliche Fusionszwecke genutzt werden. Ein Neutron hat keine Ladung und muss daher nicht beschleunigt werden (und ist auch nicht möglich). Im Gegenteil: Langsame Neutronen erweisen sich als nützlicher als schnelle.

Chemiker mussten sich den Kopf zerbrechen und wahre Wunder des Einfallsreichtums zeigen, um Wege zu finden, winzige Mengen neuer Elemente aus der Zielsubstanz zu trennen. Lernen Sie, die Eigenschaften neuer Elemente zu untersuchen, als nur wenige Atome verfügbar waren ...

Durch die Arbeit von Hunderten und Tausenden von Wissenschaftlern wurden achtzehn neue Zellen in das Periodensystem aufgenommen.

Vier liegen innerhalb seiner alten Grenzen: zwischen Wasserstoff und Uran.

Vierzehn - für Uran.

So ist alles passiert...

Technetium, Promethium, Astat, Francium... Vier Plätze im Periodensystem blieben lange Zeit leer. Dies waren die Zellen Nr. 43, 61, 85 und 87. Von den vier Elementen, die diese Plätze einnehmen sollten, wurden drei von Mendelejew vorhergesagt: Ekamangan – 43, Ecaiod – 85 und Ekakaesium – 87. Das vierte – Nr. 61 – sollte zu den Seltenerdelementen gehören.

Diese vier Elemente waren schwer zu fassen. Die Bemühungen der Wissenschaftler, in der Natur nach ihnen zu suchen, blieben erfolglos. Mit Hilfe des Periodengesetzes sind längst alle anderen Stellen im Periodensystem – vom Wasserstoff bis zum Uran – besetzt.

Mehr als einmal wurden in wissenschaftlichen Fachzeitschriften Berichte über die Entdeckung dieser vier Elemente veröffentlicht. Ekamangan wurde in Japan „entdeckt“, wo es den Namen „Nipponium“ erhielt, und in Deutschland wurde es „Masurium“ genannt. Element Nr. 61 wurde mindestens dreimal in verschiedenen Ländern „entdeckt“ und erhielt die Namen „Illinium“, „Florenz“, „Oniumzyklus“. Ekaiodin wurde auch in der Natur schon mehrfach gefunden. Ihm wurden die Namen „Alabamius“, „Helvetius“ gegeben. Ekacesium wiederum erhielt die Namen „Virginia“ und „Moldova“. Einige dieser Namen fanden Eingang in diverse Nachschlagewerke und sogar in Schulbücher. Aber alle diese Entdeckungen wurden nicht bestätigt: Jedes Mal, wenn eine genaue Überprüfung ergab, dass ein Fehler gemacht worden war, wurden zufällige unbedeutende Verunreinigungen mit einem neuen Element verwechselt.

Eine lange und schwierige Suche führte schließlich zur Entdeckung eines der schwer fassbaren Elemente der Natur. Es stellte sich heraus, dass Excasium, das im Periodensystem den 87. Platz einnehmen sollte, in der Zerfallskette des natürlichen radioaktiven Isotops Uran-235 entsteht. Es ist ein kurzlebiges radioaktives Element.

Element Nr. 87 verdient eine ausführlichere Erörterung.

Nun lesen wir in jeder Enzyklopädie, in jedem Chemielehrbuch: Francium (Seriennummer 87) wurde 1939 von der französischen Wissenschaftlerin Margarita Perey entdeckt. Dies ist übrigens das dritte Mal, dass die Ehre, ein neues Element zu entdecken, einer Frau zuteil wird (zuvor entdeckte Marie Curie Polonium und Radium, Ida Noddak entdeckte Rhenium).

Wie gelang es Perey, das schwer fassbare Element einzufangen? Gehen wir viele Jahre zurück. Im Jahr 1914 begannen drei österreichische Radiochemiker – S. Meyer, W. Hess und F. Paneth – mit der Untersuchung des radioaktiven Zerfalls des Actinium-Isotops mit der Massenzahl 227. Es war bekannt, dass es zur Actinouranium-Familie gehört und β-Teilchen emittiert; Daher ist sein Abbauprodukt Thorium. Allerdings hatten Wissenschaftler vage Vermutungen, dass Actinium-227 in seltenen Fällen auch α-Teilchen aussendet. Mit anderen Worten, dies ist ein Beispiel für eine radioaktive Gabel. Es ist leicht herauszufinden: Bei einer solchen Umwandlung sollte ein Isotop des Elements Nr. 87 entstehen. Meyer und seine Kollegen beobachteten tatsächlich Alphateilchen. Weitere Forschungen waren erforderlich, wurden jedoch durch den Ersten Weltkrieg unterbrochen.

Margarita Perey ging den gleichen Weg. Doch ihr standen empfindlichere Instrumente und neue, verbesserte Analysemethoden zur Verfügung. Deshalb war sie erfolgreich.

Francium wird als künstlich synthetisiertes Element eingestuft. Dennoch wurde das Element erstmals in der Natur entdeckt. Dies ist ein Isotop von Francium-223. Seine Halbwertszeit beträgt nur 22 Minuten. Es wird klar, warum es so wenig Frankreich auf der Erde gibt. Erstens hat es aufgrund seiner Zerbrechlichkeit keine Zeit, sich in nennenswerten Mengen zu konzentrieren, und zweitens ist der Prozess seiner Entstehung selbst durch eine geringe Wahrscheinlichkeit gekennzeichnet: Nur 1,2 % der Actinium-227-Kerne zerfallen unter Emission von α- Partikel.

In dieser Hinsicht ist es rentabler, Francium künstlich herzustellen. 20 Isotope von Francium wurden bereits gewonnen, das langlebigste davon ist Francium-223. Mithilfe völlig unbedeutender Mengen an Franciumsalzen konnten Chemiker nachweisen, dass seine Eigenschaften denen von Cäsium äußerst ähnlich sind.

Die Elemente Nr. 43, 61 und 85 blieben schwer fassbar. Sie konnten in der Natur nicht gefunden werden, obwohl Wissenschaftler bereits über eine leistungsstarke Methode verfügten, die unmissverständlich den Weg zur Suche nach neuen Elementen zeigte – das Periodengesetz. Dank dieses Gesetzes waren den Wissenschaftlern alle chemischen Eigenschaften eines unbekannten Elements im Voraus bekannt. Warum blieb die Suche nach diesen drei Elementen in der Natur erfolglos?

Durch die Untersuchung der Eigenschaften von Atomkernen kamen Physiker zu dem Schluss, dass es für Elemente mit den Ordnungszahlen 43, 61, 85 und 87 keine stabilen Isotope geben kann. Sie können nur radioaktiv sein, haben kurze Halbwertszeiten und müssen schnell verschwinden. Daher wurden alle diese Elemente künstlich vom Menschen geschaffen. Die Wege zur Entstehung neuer Elemente wurden durch das Periodengesetz vorgegeben. Versuchen wir, damit den Weg für die Synthese von Ecamangan zu skizzieren. Dieses Element Nr. 43 wurde als erstes künstlich geschaffen.

Die chemischen Eigenschaften eines Elements werden durch seine Elektronenhülle bestimmt und hängen von der Ladung des Atomkerns ab. Der Kern des Elements Nummer 43 sollte 43 positive Ladungen haben und es sollten 43 Elektronen den Kern umkreisen. Wie kann man ein Element mit 43 Ladungen im Atomkern erzeugen? Wie kann man beweisen, dass ein solches Element geschaffen wurde?

Schauen wir uns genauer an, welche Elemente im Periodensystem sich in der Nähe des für Element Nr. 43 vorgesehenen Leerraums befinden. Er befindet sich fast in der Mitte der fünften Periode. An den entsprechenden Stellen befindet sich in der vierten Periode Mangan und in der sechsten Periode Rhenium. Daher sollten die chemischen Eigenschaften von Element 43 denen von Mangan und Rhenium ähneln. Nicht umsonst nannte D. I. Mendeleev, der dieses Element vorhersagte, es Ekamangan. Links von der 43. Zelle befindet sich Molybdän, das Zelle 42 einnimmt, rechts, in der 44. Zelle, Ruthenium.

Um das Element Nummer 43 zu erzeugen, ist es daher notwendig, die Anzahl der Ladungen im Kern eines Atoms mit 42 Ladungen um eine weitere Elementarladung zu erhöhen. Um das neue Element Nr. 43 zu synthetisieren, ist es daher notwendig, Molybdän als Ausgangsmaterial zu verwenden. Es hat genau 42 Ladungen in seinem Kern. Das leichteste Element, Wasserstoff, hat eine positive Ladung. Wir können also davon ausgehen, dass das Element Nummer 43 durch eine Kernreaktion zwischen Molybdän und Wasserstoff gewonnen werden kann.

Die Eigenschaften des Elements Nr. 43 sollten denen von Mangan und Rhenium ähneln, und um die Bildung dieses Elements nachzuweisen und zu beweisen, müssen chemische Reaktionen verwendet werden, die denen ähneln, mit denen Chemiker das Vorhandensein kleiner Mengen davon bestimmen Mangan und Rhenium. Auf diese Weise ermöglicht das Periodensystem, den Weg zur Entstehung eines künstlichen Elements aufzuzeigen.

Genauso wie wir es gerade beschrieben haben, entstand 1937 das erste künstliche chemische Element. Es erhielt einen bedeutenden Namen – Technetium – das erste Element, das technisch und künstlich hergestellt wurde. So wurde Technetium synthetisiert. Die Molybdänplatte wurde einem intensiven Beschuss durch Kerne des schweren Wasserstoffisotops Deuterium ausgesetzt, die in einem Zyklotron auf enorme Geschwindigkeit beschleunigt wurden.

In die Molybdänkerne drangen schwere Wasserstoffkerne ein, die sehr hohe Energie erhielten. Nach der Bestrahlung in einem Zyklotron wurde die Molybdänplatte in Säure gelöst. Mit denselben Reaktionen, die für die analytische Bestimmung von Mangan (einem Analogon des Elements Nr. 43) erforderlich sind, wurde aus der Lösung eine unbedeutende Menge einer neuen radioaktiven Substanz isoliert. Das war das neue Element – Technetium. Bald wurden seine chemischen Eigenschaften im Detail untersucht. Sie entsprechen genau der Position des Elements im Periodensystem.

Mittlerweile ist Technetium gut zugänglich: Es entsteht in relativ großen Mengen in Kernreaktoren. Technetium ist gut untersucht und wird bereits in der Praxis eingesetzt. Technetium wird zur Untersuchung des Korrosionsprozesses von Metallen verwendet.

Die Methode, mit der Element 61 erzeugt wurde, ist der Methode, mit der Technetium gewonnen wird, sehr ähnlich. Element Nr. 61 muss ein Seltenerdelement sein: Die 61. Zelle liegt zwischen Neodym (Nr. 60) und Samarium (Nr. 62). Das neue Element wurde erstmals 1938 in einem Zyklotron durch Beschuss von Neodym mit Deuteriumkernen gewonnen. Chemisch gesehen wurde Element 61 erst 1945 aus Fragmentierungselementen isoliert, die in einem Kernreaktor bei der Spaltung von Uran entstanden.

Das Element erhielt den symbolischen Namen Promethium. Dieser Name wurde ihm aus einem bestimmten Grund gegeben. Einem antiken griechischen Mythos zufolge stahl der Titan Prometheus das Feuer vom Himmel und gab es den Menschen. Dafür wurde er von den Göttern bestraft: Er wurde an einen Felsen gekettet und ein riesiger Adler quälte ihn jeden Tag. Der Name „Promethium“ symbolisiert nicht nur den dramatischen Weg der Wissenschaft, der Natur die Energie der Kernspaltung zu stehlen und diese Energie zu beherrschen, sondern warnt die Menschen auch vor einer schrecklichen militärischen Gefahr.

Mittlerweile wird Promethium in beträchtlichen Mengen produziert: Es wird in Atombatterien eingesetzt – Gleichstromquellen, die mehrere Jahre ohne Unterbrechung betrieben werden können.

Das schwerste Halogenidelement Nr. 85 wurde auf ähnliche Weise synthetisiert. Es wurde zunächst durch Beschuss von Wismut (Nr. 83) mit Heliumkernen (Nr. 2) gewonnen und in einem Zyklotron auf hohe Energien beschleunigt.

Die Kerne von Helium, dem zweiten Element im Periodensystem, haben zwei Ladungen. Um das 85. Element zu synthetisieren, wurde daher Wismut verwendet – das 83. Element. Das neue Element heißt astatine (instabil). Es ist radioaktiv und verschwindet schnell. Auch seine chemischen Eigenschaften entsprachen exakt dem Periodengesetz. Es sieht aus wie Jod.

Transuranische Elemente.

Chemiker investieren viel Arbeit in die Suche nach Elementen in der Natur, die schwerer als Uran sind. Mehr als einmal erschienen in wissenschaftlichen Fachzeitschriften triumphale Meldungen über die „zuverlässige“ Entdeckung eines neuen „schweren“ Elements mit einer Atommasse, die größer als die von Uran ist. Beispielsweise wurde das Element Nr. 93 in der Natur viele Male „entdeckt“ und erhielt die Namen „Bohemia“ und „Sequanium“. Doch diese „Entdeckungen“ erwiesen sich als Ergebnis von Fehlern. Sie charakterisieren die Schwierigkeit, winzige Spuren eines neuen unbekannten Elements mit unerforschten Eigenschaften analytisch genau zu bestimmen.

Das Ergebnis dieser Suche war negativ, da es auf der Erde praktisch keine Elemente gibt, die den Zellen des Periodensystems entsprechen, die sich jenseits der 92. Zelle befinden sollten.

Die ersten Versuche, künstlich neue Elemente schwerer als Uran zu gewinnen, sind mit einem der bemerkenswertesten Fehler in der Geschichte der Wissenschaftsentwicklung verbunden. Es wurde festgestellt, dass viele Elemente unter dem Einfluss eines Neutronenflusses radioaktiv werden und beginnen, Betastrahlen auszusenden. Der Atomkern, der seine negative Ladung verloren hat, verschiebt sich im Periodensystem um eine Zelle nach rechts, und seine Seriennummer wird eins mehr – es kommt zu einer Transformation der Elemente. Unter dem Einfluss von Neutronen entstehen daher meist schwerere Elemente.

Sie versuchten, Uran mit Neutronen zu beeinflussen. Die Wissenschaftler hofften, dass Uran wie andere Elemente eine β-Aktivität aufweisen würde und als Folge des β-Zerfalls ein neues Element mit einer um eins höheren Nummer entstehen würde. Er wird die 93. Zelle im Mendelejew-System besetzen. Es wurde vermutet, dass dieses Element Rhenium ähneln sollte, weshalb es früher Ekarenium genannt wurde.

Die ersten Experimente schienen diese Annahme sofort zu bestätigen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass in diesem Fall nicht ein neues Element entsteht, sondern mehrere. Es wurden fünf neue Elemente gemeldet, die schwerer als Uran sind. Neben Ekarenium wurden auch Ecaosmium, Ecairidium, Ekaplatin und Ecagold „entdeckt“. Und alle Entdeckungen erwiesen sich als Fehler. Aber es war ein bemerkenswerter Fehler. Sie führte die Wissenschaft zur größten Errungenschaft der Physik in der gesamten Menschheitsgeschichte – der Entdeckung der Uranspaltung und der Beherrschung der Energie des Atomkerns.

Tatsächlich wurden keine Transurane gefunden. In den seltsamen neuen Elementen versuchten sie vergeblich, die angeblichen Eigenschaften herauszufinden, die die Elemente aus Ekarenium und Ekazold hätten haben sollen. Und plötzlich wurden unter diesen Elementen unerwartet radioaktives Barium und Lanthan entdeckt. Nicht Transuran, sondern die häufigsten, aber radioaktive Isotope von Elementen, deren Plätze in der Mitte des Periodensystems von Mendelejew liegen.

Es verging etwas Zeit, bis dieses unerwartete und sehr seltsame Ergebnis richtig verstanden wurde.

Warum bilden die Atomkerne von Uran, das am Ende des Periodensystems der Elemente steht, unter der Einwirkung von Neutronen die Kerne von Elementen, deren Orte in der Mitte liegen? Wenn beispielsweise Neutronen auf Uran einwirken, entstehen Elemente, die den folgenden Zellen des Periodensystems entsprechen:

Viele Elemente wurden in der unvorstellbar komplexen Mischung radioaktiver Isotope gefunden, die in mit Neutronen bestrahltem Uran entsteht. Obwohl sich herausstellte, dass es sich um alte Elemente handelte, die den Chemikern schon lange bekannt waren, handelte es sich gleichzeitig um neue Substanzen, die erstmals vom Menschen geschaffen wurden.

In der Natur gibt es keine radioaktiven Isotope von Brom, Krypton, Strontium und vielen anderen der vierunddreißig Elemente – von Zink bis Gadolinium, die bei der Bestrahlung von Uran entstehen.

Das passiert in der Wissenschaft oft: Das Geheimnisvollste und Komplexeste erweist sich als einfach und klar, wenn es gelöst und verstanden wird. Wenn ein Neutron auf einen Urankern trifft, spaltet es sich und spaltet sich in zwei Fragmente auf – in zwei Atomkerne kleinerer Masse. Diese Fragmente können unterschiedlich groß sein, weshalb so viele verschiedene radioaktive Isotope häufiger chemischer Elemente entstehen.

Ein Atomkern von Uran (92) zerfällt in die Atomkerne Brom (35) und Lanthan (57); die Fragmente der Spaltung eines anderen könnten sich als Atomkerne von Krypton (36) und Barium (56) herausstellen. Die Summe der Ordnungszahlen der resultierenden Fragmentierungselemente beträgt 92.

Dies war der Beginn einer Reihe großer Entdeckungen. Bald stellte sich heraus, dass unter dem Einfluss eines Neutrons nicht nur Fragmente – Kerne mit geringerer Masse – aus dem Kern eines Uran-235-Atoms entstehen, sondern auch zwei oder drei Neutronen herausfliegen. Jeder von ihnen ist wiederum in der Lage, erneut eine Spaltung des Urankerns herbeizuführen. Und mit jeder solchen Teilung wird viel Energie freigesetzt. Dies war der Beginn der Beherrschung der intraatomaren Energie durch den Menschen.

Unter den vielfältigen Produkten, die bei der Bestrahlung von Urankernen mit Neutronen entstehen, wurde später das erste echte Transuranelement Nr. 93 entdeckt, das lange Zeit unbemerkt blieb. Es entstand durch die Einwirkung von Neutronen auf Uran-238. In Bezug auf die chemischen Eigenschaften erwies es sich als sehr ähnlich zu Uran und war überhaupt nicht ähnlich: Rhenium, wie bei den ersten Versuchen, schwerere Elemente als Uran zu synthetisieren, erwartet wurde. Daher konnten sie ihn nicht sofort entdecken.

Das erste vom Menschen außerhalb des „natürlichen Systems chemischer Elemente“ geschaffene Element wurde nach dem Planeten Neptun Neptunium genannt. Seine Entstehung hat für uns die von der Natur selbst definierten Grenzen erweitert. Ebenso erweiterte die vorhergesagte Entdeckung des Planeten Neptun die Grenzen unseres Wissens über das Sonnensystem.

Bald wurde das 94. Element synthetisiert. Es wurde nach dem letzten Planeten benannt. Sonnensystem.

Es wurde Plutonium genannt. Im Periodensystem von Mendeleev folgt es Neptunium der Reihe nach, ähnlich dem „letzten Planeten des Sonnensystems“, Pluto, dessen Umlaufbahn hinter der Umlaufbahn von Neptun liegt. Element Nr. 94 entsteht aus Neptunium während seines β-Zerfalls.

Plutonium ist das einzige Transuranelement, das heute in Kernreaktoren in sehr großen Mengen produziert wird. Es ist wie Uran-235 unter dem Einfluss von Neutronen spaltbar und wird als Brennstoff in Kernreaktoren verwendet.

Die Elemente Nr. 95 und Nr. 96 heißen Americium und Curium. Mittlerweile werden sie auch in Kernreaktoren hergestellt. Beide Elemente weisen eine sehr hohe Radioaktivität auf – sie emittieren α-Strahlen. Die Radioaktivität dieser Elemente ist so groß, dass sich konzentrierte Lösungen ihrer Salze erhitzen, sieden und im Dunkeln sehr stark leuchten.

Alle Transuranelemente – von Neptunium über Americium bis hin zu Curium – wurden in relativ großen Mengen gewonnen. In ihrer reinen Form handelt es sich um silberfarbene Metalle, sie sind alle radioaktiv und ihre chemischen Eigenschaften ähneln einander, in manchen Punkten unterscheiden sie sich jedoch deutlich.

Auch das 97. Element, Berkelium, wurde in reiner Form isoliert. Dazu musste ein reines Plutoniumpräparat in einen Kernreaktor gegeben und sechs Jahre lang einem starken Neutronenfluss ausgesetzt werden. In dieser Zeit sammelten sich darin mehrere Mikrogramm des Elements Nr. 97. Plutonium wurde aus dem Kernreaktor entfernt, in Säure gelöst und aus der Mischung das langlebigste Berkelium-249 isoliert. Es ist stark radioaktiv – es zerfällt innerhalb eines Jahres um die Hälfte. Bisher wurden nur wenige Mikrogramm Berkelium gewonnen. Aber diese Menge reichte für Wissenschaftler aus, um seine chemischen Eigenschaften genau zu untersuchen.

Ein sehr interessantes Element ist die Nummer 98 – Kalifornien, das sechste nach Uran. Californium entstand zunächst durch Beschuss eines Curium-Ziels mit Alphateilchen.

Die Geschichte der Synthese der nächsten beiden Transuranelemente: 99 und 100 ist faszinierend. Sie wurden zuerst in Wolken und „Schlamm“ gefunden. Um zu untersuchen, was bei thermonuklearen Explosionen entsteht, flog ein Flugzeug durch die Explosionswolke und Sedimentproben wurden auf Papierfiltern gesammelt. In diesem Sediment wurden Spuren zweier neuer Elemente gefunden. Um genauere Daten zu erhalten, wurde am Explosionsort eine große Menge „Schmutz“ – durch die Explosion veränderter Boden und Gestein – gesammelt. Dieser „Schmutz“ wurde im Labor bearbeitet und daraus zwei neue Elemente isoliert. Sie wurden Einsteinium und Fermium genannt, zu Ehren der Wissenschaftler A. Einstein und E. Fermi, denen die Menschheit vor allem die Entdeckung von Wegen zur Beherrschung der Atomenergie verdankt. Einstein entwickelte das Gesetz der Äquivalenz von Masse und Energie und Fermi baute den ersten Atomreaktor. Mittlerweile werden auch Einsteinium und Fermium im Labor hergestellt.

Elemente des zweiten Jahrhunderts.

Vor nicht allzu langer Zeit konnte kaum jemand glauben, dass das Symbol des hundertsten Elements in das Periodensystem aufgenommen werden würde.

Die künstliche Synthese von Elementen hat ihren Zweck erfüllt: Fermium schloss für kurze Zeit die Liste der bekannten chemischen Elemente ab. Die Gedanken der Wissenschaftler waren nun in die Ferne gerichtet, auf die Elemente des zweiten Jahrhunderts.

Doch auf dem Weg dorthin gab es eine Hürde, die nicht leicht zu überwinden war.

Bisher haben Physiker neue Transurane hauptsächlich auf zwei Arten synthetisiert. Oder sie feuerten mit Alphateilchen und Deuteronen auf Ziele aus bereits synthetisierten Transuranelementen. Oder sie beschossen Uran oder Plutonium mit starken Neutronenströmen. Dadurch entstanden sehr neutronenreiche Isotope dieser Elemente, die sich nach mehreren aufeinanderfolgenden β-Zerfällen in Isotope neuer Transurane verwandelten.

Doch Mitte der 50er Jahre waren beide Möglichkeiten erschöpft. Bei Kernreaktionen konnten schwerelose Mengen Einsteinium und Fermium gewonnen werden, weshalb daraus keine Ziele hergestellt werden konnten. Auch die Methode der Neutronensynthese erlaubte keinen Fortschritt über Fermium hinaus, da Isotope dieses Elements mit einer viel höheren Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung unterworfen waren als dem Betazerfall. Es ist klar, dass es unter solchen Bedingungen keinen Sinn machte, über die Synthese eines neuen Elements zu sprechen.

Daher machten die Physiker den nächsten Schritt erst, als es ihnen gelang, die für das Ziel erforderliche Mindestmenge an Element Nr. 99 anzusammeln. Dies geschah im Jahr 1955.

Eine der bemerkenswertesten Errungenschaften, auf die die Wissenschaft zu Recht stolz sein kann, ist die Schaffung des 101. Elements.

Dieses Element wurde nach dem großen Schöpfer des Periodensystems der chemischen Elemente, Dmitri Iwanowitsch Mendelejew, benannt.

Mendelevium wurde wie folgt gewonnen. Auf ein Stück dünnste Goldfolie wurde eine unsichtbare Schicht aus etwa einer Milliarde Einsteiniumatomen aufgetragen. Alphateilchen mit sehr hoher Energie, die die Goldfolie von der Rückseite durchdringen, könnten bei Kollision mit Einsteiniumatomen eine Kernreaktion eingehen. Dadurch entstanden Atome des 101. Elements. Bei einer solchen Kollision flogen Mendeleviumatome von der Oberfläche der Goldfolie und sammelten sich auf einer anderen, in der Nähe befindlichen dünnen Goldfolie. Auf diese geniale Weise war es möglich, reine Atome des Elements 101 aus einer komplexen Mischung aus Einsteinium und seinen Zerfallsprodukten zu isolieren. Die unsichtbare Plaque wurde mit Säure abgewaschen und einer radiochemischen Untersuchung unterzogen.

Es war wirklich ein Wunder. Ausgangsmaterial für die Entstehung des Elements 101 waren in jedem einzelnen Experiment etwa eine Milliarde Einsteiniumatome. Das ist sehr wenig weniger als ein Milliardstel Milligramm, und es war unmöglich, Einsteinium in größeren Mengen zu gewinnen. Es wurde im Voraus berechnet, dass von einer Milliarde Einsteiniumatomen während des stundenlangen Beschusses mit Alphateilchen nur ein einziges Einsteiniumatom reagieren und somit nur ein Atom eines neuen Elements entstehen kann. Es war nicht nur notwendig, es nachweisen zu können, sondern es auch so zu machen, dass die chemische Natur des Elements aus nur einem Atom herausgefunden werden konnte.

Und es war geschafft. Der Erfolg des Experiments übertraf alle Berechnungen und Erwartungen. In einem Experiment konnten nicht nur ein, sondern sogar zwei Atome des neuen Elements festgestellt werden. Insgesamt wurden in der ersten Versuchsreihe siebzehn Mendeleviumatome gewonnen. Es stellte sich heraus, dass dies ausreichte, um die Tatsache der Bildung eines neuen Elements, seinen Platz im Periodensystem und seine grundlegenden chemischen und radioaktiven Eigenschaften festzustellen. Es stellte sich heraus, dass es sich um ein α-aktives Element mit einer Halbwertszeit von etwa einer halben Stunde handelt.

Mendelevium, das erste Element des zweiten Jahrhunderts, erwies sich als eine Art Meilenstein auf dem Weg zur Synthese von Transuranelementen. Bis heute ist es das letzte, das mit alten Methoden synthetisiert wurde – der Bestrahlung mit α-Teilchen. Jetzt sind stärkere Projektile auf den Plan getreten – beschleunigte, mehrfach geladene Ionen verschiedener Elemente. Die Bestimmung der chemischen Natur von Mendelevium anhand einiger seiner Atome legte den Grundstein für eine völlig neue wissenschaftliche Disziplin – die physikalische Chemie einzelner Atome.

Das Symbol des Elements Nr. 102 Nr. - im Periodensystem steht in Klammern. Und innerhalb dieser Klammern liegt die lange und komplexe Geschichte dieses Elements.

Über die Synthese von Nobelium wurde 1957 von einer internationalen Gruppe von Physikern berichtet, die am Nobelinstitut (Stockholm) arbeiteten. Zum ersten Mal wurden stark beschleunigte Ionen zur Synthese eines neuen Elements verwendet. Es handelte sich um 13 C-Ionen, deren Fluss auf das Curium-Target gerichtet war. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass es ihnen gelungen sei, das Isotop des Elements 102 zu synthetisieren. Es wurde nach dem Gründer des Nobel-Instituts und Erfinder des Dynamits, Alfred Nobel, benannt.

Ein Jahr verging und die Experimente der Stockholmer Physiker wurden fast gleichzeitig in der Sowjetunion und den USA wiederholt. Und es stellte sich heraus, dass es Erstaunliches gab: Die Ergebnisse sowjetischer und amerikanischer Wissenschaftler hatten weder mit der Arbeit des Nobelinstituts noch miteinander etwas zu tun. Niemand sonst konnte die in Schweden durchgeführten Experimente wiederholen. Aus dieser Situation entstand ein ziemlich trauriger Witz: „Nobel ist alles, was noch übrig ist“ (Nein bedeutet auf Englisch „Nein“). Das hastig im Periodensystem platzierte Symbol spiegelte nicht die tatsächliche Entdeckung des Elements wider.

Eine zuverlässige Synthese des Elements Nr. 102 wurde von einer Gruppe von Physikern des Labors für Kernreaktionen des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung durchgeführt. 1962-1967 Sowjetische Wissenschaftler synthetisierten mehrere Isotope des Elements Nr. 102 und untersuchten seine Eigenschaften. Die Bestätigung dieser Daten erfolgte in den USA. Das Nein-Symbol befindet sich jedoch, ohne dazu berechtigt zu sein, immer noch in der 102. Zelle der Tabelle.

Lawrence, Element Nummer 103 mit dem Symbol Lw, benannt nach dem Erfinder des Zyklotrons, E. Lawrence, wurde 1961 in den USA synthetisiert. Aber die Verdienste der sowjetischen Physiker sind hier nicht weniger wichtig. Sie erhielten mehrere neue Isotope von Lawrencium und untersuchten erstmals die Eigenschaften dieses Elements. Auch Lawrencium entstand durch den Einsatz schwerer Ionen. Das California-Target wurde mit Borionen bestrahlt (bzw. das Americium-Target mit Sauerstoffionen).

Element Nr. 104 wurde erstmals 1964 von sowjetischen Physikern gewonnen. Seine Synthese gelang durch Beschuss von Plutonium mit Neonionen. Das 104. Element wurde zu Ehren des herausragenden sowjetischen Physikers Igor Wassiljewitsch Kurtschatow Kurtschatowium (Symbol Ki) genannt.

Auch das 105. und 106. Element wurden 1970 und 1974 erstmals von sowjetischen Wissenschaftlern synthetisiert. Das erste davon, ein Produkt der Bombardierung von Americium mit Neonionen, wurde zu Ehren von Niels Bohr Nielsborium (Ns) genannt. Die Synthese des anderen wurde wie folgt durchgeführt: Ein Bleitarget wurde mit Chromionen beschossen. Auch in den USA wurden Synthesen der Elemente 105 und 106 durchgeführt.

Darüber erfahren Sie im nächsten Kapitel, und wir schließen dieses mit einer kurzen Geschichte darüber ab

So untersuchen Sie die Eigenschaften der Elemente des zweiten Jahrhunderts.

Den Experimentatoren steht eine unglaublich schwierige Aufgabe bevor.

Hier sind seine Anfangsbedingungen: gegebene wenige Mengen (Dutzende, bestenfalls Hunderte) von Atomen eines neuen Elements und sehr kurzlebige Atome (Halbwertszeiten werden in Sekunden oder sogar Bruchteilen einer Sekunde gemessen). Es muss nachgewiesen werden, dass diese Atome Atome eines wirklich neuen Elements sind (d. h. der Wert von Z sowie der Wert der Massenzahl A bestimmt werden, um zu wissen, um welches Isotop des neuen Transurans es sich handelt). und studieren Sie seine wichtigsten chemischen Eigenschaften.

Ein paar Atome, eine unbedeutende Lebenserwartung...

Schnelligkeit und höchster Einfallsreichtum kommen den Wissenschaftlern zu Hilfe. Aber ein moderner Forscher – ein Spezialist für die Synthese neuer Elemente – muss nicht nur in der Lage sein, „einen Floh zu beschlagen“. Außerdem muss er sich mit der Theorie auskennen.

Folgen wir den grundlegenden Schritten, mit denen ein neues Element identifiziert wird.

Die wichtigste Visitenkarte sind vor allem seine radioaktiven Eigenschaften – das kann die Emission von Alphateilchen oder die spontane Spaltung sein. Jeder α-aktive Kern zeichnet sich durch spezifische Energiewerte von α-Teilchen aus. Dieser Umstand ermöglicht es, entweder bekannte Kerne zu identifizieren oder auf die Entdeckung neuer Kerne zu schließen. Durch die Untersuchung der Eigenschaften von α-Teilchen konnten Wissenschaftler beispielsweise zuverlässige Beweise für die Synthese des 102. und 103. Elements erhalten.

Energetische Fragmentkerne, die bei der Spaltung entstehen, sind aufgrund der viel höheren Energie der Fragmente viel einfacher zu erkennen als Alphateilchen. Zur Registrierung werden Platten aus einer speziellen Glasart verwendet. Die Fragmente hinterlassen leicht sichtbare Spuren auf der Oberfläche der Schallplatten. Anschließend werden die Platten einer chemischen Behandlung (Ätzung) unterzogen und sorgfältig unter dem Mikroskop untersucht. Glas löst sich in Flusssäure.

Legt man eine mit Bruchstücken umhüllte Glasplatte in eine Flusssäurelösung, löst sich das Glas an den Stellen, an denen die Bruchstücke auftreffen, schneller auf und es bilden sich dort Löcher. Ihre Größe ist hunderte Male größer als die ursprüngliche Spur, die das Fragment hinterlassen hat. Die Vertiefungen können unter einem Mikroskop mit geringer Vergrößerung betrachtet werden. Andere radioaktive Strahlung verursacht weniger Schäden an der Glasoberfläche und ist nach dem Ätzen nicht sichtbar.

Hier ist, was die Autoren der Kurchatov-Synthese darüber sagen, wie der Prozess der Identifizierung eines neuen Elements ablief: „Das Experiment ist im Gange. Vierzig Stunden lang bombardieren Neonkerne ununterbrochen das Plutoniumziel. Vierzig Stunden lang trägt das Band synthetische Kerne dazu.“ Die Glasplatten. Schließlich wird das Zyklotron abgeschaltet. Die Glasplatten werden zur Bearbeitung ins Labor gebracht. Wir sind gespannt auf das Ergebnis. Es vergehen mehrere Stunden. Unter dem Mikroskop wurden sechs Spuren entdeckt. Aus ihren Positionen können die Halb- Die Lebensdauer wurde berechnet. Es stellte sich heraus, dass sie im Zeitintervall von 0,1 bis 0,5 s lag.

Und so sprechen dieselben Forscher über die Beurteilung der chemischen Natur von Kurchatovium und Nilsborium. „Das Schema zur Untersuchung der chemischen Eigenschaften des Elements Nr. 104 ist wie folgt. Rückstoßatome verlassen das Ziel in einem Stickstoffstrom, werden darin gehemmt und dann chloriert. Verbindungen des 104. Elements mit Chlor dringen leicht durch ein spezielles ein Filter, aber alle Aktiniden passieren nicht. Wenn das 104. Element zur Aktinidenreihe gehörte, wäre es vom Filter zurückgehalten worden. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass Element 104 ein chemisches Analogon von Hafnium ist. Dies ist der wichtigste Schritt auf dem Weg, das Periodensystem mit neuen Elementen zu füllen.

Anschließend wurden in Dubna die chemischen Eigenschaften des Elements 105 untersucht. Es stellte sich heraus, dass seine Chloride an der Oberfläche des Rohrs adsorbiert werden, entlang derer sie sich vom Ziel bei einer Temperatur bewegen, die niedriger ist als die von Hafniumchloriden, aber höher als die von Niobchloriden. Nur Atome eines Elements, das in seinen chemischen Eigenschaften Tantal ähnelt, könnten sich auf diese Weise verhalten. Schauen Sie sich das Periodensystem an: ein chemisches Analogon von Tantal – Element Nr. 105! Daher bestätigten Experimente zur Adsorption an der Oberfläche von Atomen des 105. Elements, dass seine Eigenschaften mit denen übereinstimmen, die auf der Grundlage des Periodensystems vorhergesagt wurden.

Der d-Block umfasst 32 Elemente des Periodensystems. d-Elemente sind in der 4. bis 7. Hauptperiode enthalten. Atome der Gruppe IIIB haben das erste Elektron im d-Orbital. In nachfolgenden B-Gruppen ist die d-Unterebene mit bis zu 10 Elektronen gefüllt (daher der Name d-Elemente). Die Struktur der äußeren Elektronenhüllen der d-Block-Atome wird durch die allgemeine Formel (n-1)d a ns b beschrieben, wobei a = 1--10, b = 1--2.

D-Elemente in mittleren Oxidationsstufen weisen amphotere Eigenschaften auf. Diese Muster können am Beispiel von Molybdänverbindungen betrachtet werden:

Mit einer Änderung der Eigenschaften ändert sich die Farbe von Molybdänkomplexen in verschiedenen Oxidationsstufen (VI - II):

Da die Stabilität von Verbindungen beim Übergang von oben nach unten in B-Gruppen zunimmt, nehmen gleichzeitig ihre oxidierenden Eigenschaften ab.

Aus evolutionärer Sicht wird die Existenz von D-Elementen in niedrigeren Oxidationsstufen für den Organismus gerechtfertigt. Es ist bekannt, dass Mn 2+-, Fe 2+- und Co 2+-Ionen unter physiologischen Bedingungen keine starken Reduktionsmittel sind und Cu 2+- und Fe 2+-Ionen praktisch keine reduzierenden Eigenschaften im Körper zeigen. Eine zusätzliche Abnahme der Reaktivität tritt auf, wenn diese Ionen mit bioorganischen Liganden interagieren.

Im Fall des Chrom-Hydroxokomplexes [Cr(OH) 6 ] ist das 3-Metallion ein Akzeptor eines Elektronenpaares. Die Hybridisierung der 3d 2 4sp 3 -Orbitale von Chrom sorgt für einen stabileren Energiezustand als wenn sich die Chromelektronen in den Orbitalen von Hydroxogruppen befinden.

Die Verbindung [CrCl 4 ] 2- entsteht hingegen dadurch, dass die ungeteilten d-Elektronen des Metalls die freien d-Orbitale der Liganden besetzen, da in diesem Fall die Energie dieser Orbitale gleich ist untere.

Die Eigenschaften des Cr 3+-Kations zeigen die Variabilität der Koordinationszahlen von d-Elementen. Am häufigsten sind dies gerade Zahlen von 4 bis 8, seltener sind die Zahlen 10 und 12. Es ist zu beachten, dass es nicht nur einkernige Komplexe gibt. Es sind zahlreiche zwei-, drei- und vierkernige Koordinationsverbindungen von d-Elementen bekannt.

Ein Beispiel ist der zweikernige Kobaltkomplex [Co 2 (NH 3) 10 (O 2)] (NO 3) 5, der als Modell eines Sauerstoffträgers dienen kann.

Mehr als ein Drittel aller Mikroelemente im Körper sind D-Elemente. In Organismen liegen sie in Form komplexer Verbindungen oder hydratisierter Ionen mit einer durchschnittlichen Hydratationshüllenaustauschzeit von 10 -1 bis 10 -10 s vor. Daher kann argumentiert werden, dass „freie“ Metallionen im Körper nicht existieren: Sie sind entweder deren Hydrate oder Hydrolyseprodukte.

Proteinmoleküle bilden mit D-Elementen bioanorganische Komplexe – Cluster oder Biocluster. Das Metallion (Metallkomplexbildner) befindet sich im Hohlraum des Clusters und interagiert mit den elektronegativen Atomen der Bindungsgruppen des Proteins: Hydroxyl (--OH), Sulfhydryl (--SH), Carboxyl (--COOH). und Aminogruppen von Proteinen (H 2 N - ). Damit ein Metallion in einen Clusterhohlraum eindringen kann, muss der Durchmesser des Ions der Größe des Hohlraums entsprechen. So reguliert die Natur die Bildung von Bioclustern mit Ionen von D-Elementen bestimmter Größe.

Biocluster (Proteinkomplexe) erfüllen verschiedene Funktionen.

D-Elemente (Kobalt, Nickel, Eisen) fungieren als koordinierende Metalle. Ein Beispiel für einen eisenhaltigen Transportproteinkomplex ist Transferrin.

Die Elemente Zn, Fe, Co, Mo, Cu sind lebenswichtig und Bestandteil von Metalloenzymen. Sie katalysieren Reaktionen, die in drei Gruppen eingeteilt werden können:

Säure-Base-Wechselwirkungen. Das beteiligte Zinkion ist Teil des Carboanhydrase-Enzyms, das die reversible Hydratation von CO 2 in biologischen Systemen katalysiert.

Redox-Wechselwirkungen. Beteiligt sind Fe-, Co-, Cr- und Mo-Ionen. Eisen ist Teil von Cytochrom, während des Prozesses findet ein Elektronentransfer statt:

Fe 3+ > Fe 2+ + e -

3. Sauerstofftransfer. Fe, Cu sind beteiligt. Eisen ist Teil des Hämoglobins, Kupfer ist Teil des Hämocyanins. Es wird angenommen, dass diese Elemente an Sauerstoff binden, von diesem jedoch nicht oxidiert werden.

Die folgenden Farbreaktionen auf D-Elemente sind bekannt:

Mn 2+ + S 2- = MnSv (fleischfarbenes Sediment)

Нg 2+ + 2I - = НgI 2 v (gelber oder roter Niederschlag)

K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 (konz.) = K 2 SO 4 + H 2 O + 2CrO 3 v

(orangefarbene Kristalle)

Es ist zu beachten, dass D-Elemente im Körper die meisten biochemischen Prozesse in Gang setzen, die ein normales Leben gewährleisten.

Starre Verbindungselemente von Brücken. Es gibt 3 Arten von starren Verbindungen:
Gießen.
Konventionelles oder Laserschweißen.
Keramik.

Gießen Verbindungen Künstliche Zähne und Retainer werden aus Wachs auf Wachsschablonen vorgefertigt, so dass die Brücke als ein Block gegossen werden kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit weiterer Schweißarbeiten. Der Guss sollte jedoch umso genauer sein, je mehr Einheiten die Prothese umfasst. Kleine Verformungen, die beim Abkühlen von geschmolzenem Metall auftreten, können bei der Herstellung einer Einheit durchaus akzeptabel sein, führen jedoch bei mehrfacher Vervielfachung zu einem unbefriedigenden Endergebnis.

Gießen Verbindungen stärker als schweißbare, außerdem lassen sie sich leichter verstecken. Aus diesem Grund werden lange Brücken oft in 3-4-gliedrigen Teilen gegossen, wobei die Trennlinie durch den künstlichen Zahn verläuft. Vor der Verblendung mit Keramik wird das Gerüst des künstlichen Zahnes durch hochpräzises Schweißen wiederhergestellt – somit sind alle Verbindungen vergossen. Das Schweißen eines künstlichen Zahns ist zum einen aufgrund der größeren Fläche im Vergleich zum Verbindungselement und zum anderen aufgrund der Keramikbeschichtung sehr stabil.

Eine zunehmend beliebte Verbindungsmethode Brückenkomponenten wird zu einer Laserschweißtechnik. Es ist stärker als üblich und außerdem einfacher und schneller, erfordert jedoch eine komplexe und teure Ausrüstung.

Verbindungen Wenn die Komponenten der Brücke separat hergestellt werden, kommt konventionelles Schweißen und Laserschweißen zum Einsatz. Dies ist erforderlich, wenn sie aus unterschiedlichen Materialien bestehen (z. B. eine festsitzende Krone aus Gold und ein künstlicher Zahn aus Metallkeramik).

Keramische Verbindungen Wird nur in Vollkeramikprothesen verwendet. Eine Beschreibung ihrer Herstellung würde den Rahmen dieses Buches sprengen, jedoch sollte auch bei solchen Verbindungen der Grundsatz der hygienischen Zugänglichkeit gelten.

Bewegliche Verbindungselemente. Bewegliche Verbindungselemente sind immer so konzipiert, dass der künstliche Zahn nicht durch Kaubelastung verrutscht. Das bedeutet, dass die Aussparung des kleineren Verbindungselements immer einen festen Untergrund haben muss, auf dem der hervorstehende Teil der Verbindung aufliegt. Manchmal ist dies bei kleinen künstlichen Zähnen und einer kurzen Prothese die einzige Kraft, der man widerstehen muss, und die Aussparung im Retainer kann sehr flach sein. Dies ist das gebräuchlichste Design für festsitzende Prothesen, die nur minimale Vorbereitung erfordern.

Allerdings mit längerem Arm Prothese Das bewegliche Gelenk muss auch dem seitlichen Verschiebungsmoment standhalten, das auf die künstlichen Zähne einwirkt, und (bei mesialer Anordnung des beweglichen Gelenks) Kräften, die nach distal gerichtet sind und zur Trennung der Teile der Prothese beitragen. In diesem Fall sollte die Verbindungsnut taubenförmig und verjüngt sein, damit sich der Stift darin leicht auf und ab bewegen kann und gleichzeitig fest auf dem Untergrund aufliegt.

Es gibt verschiedene Herstellungsmethoden. Zunächst kann ein kleinerer Retainer mit Aussparung in Wachs modelliert, anschließend gegossen und mit einem konischen Bohrer bearbeitet werden. Anschließend wird manuell eine Wachsschicht auf den künstlichen Zahn aufgetragen, damit diese der resultierenden Kavitätenform entspricht, und der Guss erfolgt mithilfe der Wachsschablone. Vor dem Anprobieren des Rahmens werden beide Teile miteinander verbunden.

In manchen Fällen Einkerbung kann auf einem vorgefertigten Gussgerüst angefertigt werden, das dann in die Mundhöhle eingesetzt wird, woraufhin Abdrücke einschließlich der präparierten Stützzähne genommen werden.

Kann verwendet werden fertige Acrylvorlagen, eingebaut in ein Wachsmodell eines künstlichen Zahns und einen kleineren Retainer. Anschließend werden der kleinere Retainer und der Rest der Prothese separat gegossen.

Als bewegliche Verbindungselemente Es werden auch vorgefertigte Stift-Nut-Befestigungen aus Metall verwendet, die jedoch eine zu starre Haftung bieten, wodurch die Beweglichkeit von Teilen der Prothese stark eingeschränkt werden kann. In diesem Fall muss der kleinere Retainer einen höheren Retentionsgrad als üblich zum Pfeilerzahn haben.

Fertige Schraubbefestigungen Wird als Teil von Brücken mit starrer Fixierung verwendet, um zwei Teile zu verbinden, wenn die Stützzähne nicht parallel sind.

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Übergangs-D-Elemente und ihre Verbindungen finden in Laborpraxis, Industrie und Technik breite Anwendung. Sie spielen auch in biologischen Systemen eine wichtige Rolle. Im vorherigen Abschnitt und Abschnitt. In Abschnitt 10.2 wurde bereits erwähnt, dass Ionen von d-Elementen wie Eisen, Chrom und Mangan eine wichtige Rolle bei Redoxtitrationen und anderen Labortechniken spielen. Wir werden hier nur auf die Anwendungen dieser Metalle in Industrie und Technik sowie auf ihre Rolle in biologischen Prozessen eingehen.

Anwendungen als Strukturmaterialien. Eisenlegierungen

Einige D-Elemente werden häufig in Strukturmaterialien verwendet, hauptsächlich in Form von Legierungen. Eine Legierung ist eine Mischung (oder Lösung) eines Metalls mit einem oder mehreren anderen Elementen.

Legierungen, deren Hauptbestandteil Eisen ist, werden Stähle genannt. Wir haben oben bereits gesagt, dass alle Stähle in zwei Arten unterteilt werden: Kohlenstoff und Legierung.

Kohlenstoffstähle. Basierend auf dem Kohlenstoffgehalt werden diese Stähle wiederum in Stähle mit niedrigem, mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt unterteilt. Die Härte von Kohlenstoffstählen nimmt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt zu. Beispielsweise ist kohlenstoffarmer Stahl formbar und formbar. Es wird dort eingesetzt, wo die mechanische Belastung unkritisch ist. Die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Kohlenstoffstählen sind in der Tabelle aufgeführt. 14.10. Kohlenstoffstähle machen bis zu 90 % der gesamten Stahlproduktion aus.

Legierte stähle. Solche Stähle enthalten bis zu 50 % Beimischung eines oder mehrerer Metalle, am häufigsten Aluminium, Chrom, Kobalt, Molybdän, Nickel, Titan, Wolfram und Vanadium.

Rostfreie Stähle enthalten als Eisenverunreinigungen Chrom und Nickel. Diese Verunreinigungen erhöhen die Härte des Stahls und machen ihn korrosionsbeständig. Letztere Eigenschaft ist auf die Bildung einer dünnen Schicht aus Chrom(III)-oxid auf der Stahloberfläche zurückzuführen.

Werkzeugstähle werden in Wolfram und Mangan unterteilt. Der Zusatz dieser Metalle erhöht die Härte, Festigkeit und Widerstandsfähigkeit

Tabelle 14.10. Kohlenstoffstähle

hohe Temperaturen (Hitzebeständigkeit) von Stahl. Solche Stähle werden zum Bohren von Brunnen, zur Herstellung von Schneidkanten für Metallbearbeitungswerkzeuge und für Maschinenteile verwendet, die einer starken mechanischen Belastung ausgesetzt sind.

Siliziumstähle werden zur Herstellung verschiedener elektrischer Geräte verwendet: Motoren, elektrische Generatoren und Transformatoren.

Andere Legierungen

Neben Eisenlegierungen gibt es auch Legierungen auf Basis anderer D-Metalle.

Titanlegierungen. Titan lässt sich leicht mit Metallen wie Zinn, Aluminium, Nickel und Kobalt legieren. Titanlegierungen zeichnen sich durch Leichtigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei hohen Temperaturen aus. Sie werden in der Flugzeugindustrie zur Herstellung von Turbinenschaufeln in Turbostrahltriebwerken eingesetzt. Sie werden auch in der medizinischen Industrie verwendet, um elektronische Geräte herzustellen, die in die Brustwand eines Patienten implantiert werden, um abnormale Herzrhythmen zu normalisieren.

Nickellegierungen. Eine der wichtigsten Nickellegierungen ist Monel. Diese Legierung enthält 65 % Nickel, 32 % Kupfer und geringe Mengen Eisen und Mangan. Es wird zur Herstellung von Kühlkondensatorrohren und Propellerachsen sowie in der Chemie-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie verwendet. Eine weitere wichtige Nickellegierung ist Nichrom. Diese Legierung enthält 60 % Nickel, 15 % Chrom und 25 % Eisen. Zur Herstellung sehr starker Permanentmagnete wird eine Legierung aus Aluminium, Kobalt und Nickel namens Alnico verwendet.

Kupferlegierungen. Kupfer wird zur Herstellung verschiedenster Legierungen verwendet. Die wichtigsten davon sind in der Tabelle aufgeführt. 14.11.

Tabelle 14.11. Kupferlegierungen

Industrielle Katalysatoren

d-Elemente und ihre Verbindungen werden häufig als industrielle Katalysatoren verwendet. Die folgenden Beispiele gelten nur für die d-Elemente der ersten Übergangszeile.

Titanchlorid. Diese Verbindung wird als Katalysator für die Polymerisation von Alkenen nach der Ziegler-Methode verwendet (siehe Kapitel 20):

Oxid. Dieser Katalysator wird in der nächsten Stufe des Kontaktprozesses zur Herstellung von Schwefelsäure eingesetzt (siehe Kapitel 7):

Eisen oder Oxid. Diese Katalysatoren werden im Haber-Verfahren zur Synthese von Ammoniak eingesetzt (siehe Kapitel 7):

Nickel. Dieser Katalysator wird zur Härtung von Pflanzenölen bei Hydrierungsprozessen, beispielsweise bei der Herstellung von Margarine, eingesetzt:

Kupfer oder Kupfer(II)-oxid. Diese Katalysatoren werden zur Dehydrierung von Ethanol zur Herstellung von Ethanal (Essigaldehyd) verwendet:

Rhodium (ein Element der zweiten Übergangsreihe) und Platin (ein Element der dritten Übergangsreihe) werden auch als industrielle Katalysatoren verwendet. Beide werden beispielsweise im Ostwald-Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure eingesetzt (siehe Kapitel 15).

Pigmente

Wir haben bereits erwähnt, dass eines der wichtigsten Unterscheidungsmerkmale von d-Elementen ihre Fähigkeit zur Bildung farbiger Verbindungen ist. Beispielsweise ist die Farbe vieler Edelsteine auf das Vorhandensein geringer Mengen an D-Metall-Verunreinigungen zurückzuführen (siehe Tabelle 14.6). Oxide von D-Elementen werden zur Herstellung farbiger Gläser verwendet. Kobalt(II)-oxid verleiht Glas beispielsweise eine dunkelblaue Farbe. Eine Reihe von D-Metallverbindungen werden in verschiedenen Industrien als Pigmente verwendet.

Titanoxid. Die weltweite Produktion von Titanoxid übersteigt 2 Millionen Tonnen pro Jahr. Es wird hauptsächlich als Weißpigment in der Farbenindustrie sowie in der Papier-, Polymer- und Textilindustrie eingesetzt.

Chromverbindungen. Chromalaun (Chromsulfat-Dodecahydrat) hat eine violette Farbe. Sie werden zum Färben in der Textilindustrie verwendet. Chromoxid wird als grünes Pigment verwendet. Pigmente wie Chromgrün, Chromgelb und Chromrot werden aus Blei(IV)-chromat hergestellt .

Kaliumhexacyanoferrat(III). Diese Verbindung wird zum Färben, Ätzen und zur Herstellung von Blaupausenpapier verwendet.

Kobaltverbindungen. Kobaltblaupigment besteht aus Kobaltaluminat. Lila und violette Kobaltpigmente werden durch Ausfällen von Kobaltsalzen mit Erdalkaliphosphaten hergestellt.

Andere industrielle Anwendungen

Bisher haben wir uns mit den Anwendungen von α-Elementen als Strukturlegierungen, Industriekatalysatoren und Pigmenten befasst. Diese Elemente haben auch viele andere Verwendungsmöglichkeiten.

Chrom wird zum Aufbringen einer Chrombeschichtung auf Stahlgegenstände, beispielsweise Autoteile, verwendet.

Gusseisen. Dabei handelt es sich nicht um eine Legierung, sondern um Roheisen. Es wird zur Herstellung verschiedenster Gegenstände wie Bratpfannen, Kanaldeckel und Gasherde verwendet.

Kobalt. Das Isotop wird als Gammastrahlungsquelle zur Behandlung von Krebs eingesetzt.

Kupfer wird in der Elektroindustrie häufig zur Herstellung von Drähten, Kabeln und anderen Leitern verwendet. Es wird auch zur Herstellung von Abwasserrohren aus Kupfer verwendet.

d-Elemente in biologischen Systemen

d-Elemente spielen in vielen biologischen Systemen eine wichtige Rolle. Beispielsweise enthält der Körper eines erwachsenen Menschen etwa 4 g Eisen. Etwa zwei Drittel dieser Menge stammen aus Hämoglobin, dem roten Farbstoff im Blut (siehe Abb. 14.11). Eisen ist außerdem Bestandteil des Muskelproteins Myoglobin und reichert sich darüber hinaus in Organen wie der Leber an.

Elemente, die in biologischen Systemen in sehr geringen Mengen vorkommen, werden als Spurenelemente bezeichnet. In der Tabelle 14.12 zeigt die Masse verschiedener Mineralien

Tabelle 14.12. Durchschnittlicher Gehalt an Makro- und Mikroelementen im erwachsenen menschlichen Körper

Mangan ist ein wesentlicher Bestandteil von Geflügelfutter.

Zu den Mikronährstoffen, die für das gesunde Wachstum von Nutzpflanzen eine entscheidende Rolle spielen, gehören viele D-Metalle.

Elemente und einige Mikroelemente im erwachsenen Körper. Es ist zu beachten, dass fünf dieser Elemente zu den d-Metallen des ersten Übergangsrads gehören. Diese und andere D-Metall-Spurenelemente erfüllen eine Vielzahl wichtiger Funktionen in biologischen Systemen.

Chrom ist am Prozess der Glukoseaufnahme im menschlichen Körper beteiligt.

Mangan ist Bestandteil verschiedener Enzyme. Es ist für Pflanzen notwendig und ein wesentlicher Bestandteil der Vogelnahrung, obwohl es für Schafe und Rinder nicht so wichtig ist. Mangan wurde auch im menschlichen Körper gefunden, allerdings ist noch nicht geklärt, wie notwendig es für uns ist. Es ist viel Mangan enthalten. Gute Quellen für dieses Element sind Nüsse, Gewürze und Getreide.

Kobalt ist für Schafe, Rinder und Menschen lebenswichtig. Es kommt beispielsweise im Vitamin vor. Dieses Vitamin wird zur Behandlung der perniziösen Anämie eingesetzt; es ist auch für die Bildung von DNA und RNA notwendig (siehe Kapitel 20).

Nickel wurde im Gewebe des menschlichen Körpers gefunden, seine Rolle ist jedoch noch nicht geklärt.

Kupfer ist ein wichtiger Bestandteil zahlreicher Enzyme und wird für die Synthese von Hämoglobin benötigt. Pflanzen brauchen es und Schafe und Rinder reagieren besonders empfindlich auf Kupfermangel in ihrer Ernährung. Bei einem Mangel an Kupfer in der Nahrung von Schafen treten bei Lämmern angeborene Missbildungen auf, insbesondere Lähmungen der Hinterbeine. In der menschlichen Ernährung ist die Leber das einzige Lebensmittel, das nennenswerte Mengen an Kupfer enthält. Geringe Mengen Kupfer finden sich in Meeresfrüchten, Hülsenfrüchten, Trockenfrüchten und Getreide.

Zink ist Bestandteil einer Reihe von Enzymen. Es ist für die Produktion von Insulin notwendig und ein integraler Bestandteil des Enzyms Anhydrase, das eine wichtige Rolle bei der Atmung spielt.

Krankheiten, die mit Zynikermangel einhergehen

In den frühen 1960er Jahren. Dr. A. S. Prasad entdeckte im Iran und in Indien eine Krankheit, die mit Zinkmangel in der Nahrung einhergeht und sich in langsamem Wachstum von Kindern und Anämie äußert. Seitdem gilt ein Zinkmangel in der Nahrung als eine der Hauptursachen für eine verzögerte Entwicklung bei Kindern, die unter schwerer Unterernährung leiden. Zink ist für die Funktion von T-Lymphozyten notwendig, ohne die das Immunsystem des menschlichen Körpers Infektionen nicht bekämpfen kann.

Zinkpräparate helfen bei schwerer Metallvergiftung sowie bei einigen Erbkrankheiten wie Sichelzellenanämie. Sichelzellenanämie ist ein angeborener Defekt der roten Blutkörperchen, der bei indigenen Bevölkerungsgruppen Afrikas auftritt. Bei Menschen mit Sichelzellenanämie haben die roten Blutkörperchen eine abnormale (Sichel-)Form und sind daher nicht in der Lage, Sauerstoff zu transportieren. Dies geschieht aufgrund der Übersättigung der roten Blutkörperchen mit Kalzium, wodurch sich die Ladungsverteilung auf der Zelloberfläche verändert. Die Zugabe von Zink zur Nahrung führt dazu, dass Zink mit Kalzium konkurriert und die abnormale Form der Zellmembran verringert.

Zinkpräparate helfen auch bei der Behandlung von Anorexie (Appetitlosigkeit), die durch Störungen des Nervensystems verursacht wird.

Also sagen wir es noch einmal!

1. Das häufigste Element auf der Erde ist Eisen, gefolgt von Titan.

2. D-Elemente kommen als Spurenelemente in Pflanzen, Tieren und Edelsteinen vor.

3. Für die industrielle Produktion von Eisen werden zwei Erze verwendet: Hämatit und Magnetit

4. Eisen wird in einem Hochofen durch Reduktion von Eisenerz mit Kohlenmonoxid hergestellt. Um Verunreinigungen in Form von Schlacke zu entfernen, wird dem Erz Kalkstein zugesetzt.

5. Kohlenstoffstähle werden überwiegend nach dem Sauerstoffkonverterverfahren (Linz-Donawitz-Verfahren) hergestellt.

6. Ein elektrischer Schmelzofen dient zur Herstellung hochwertiger legierter Stähle.

7. Titan wird nach dem Croll-Verfahren aus Ilmenit-Erz gewonnen. Dabei wird zunächst das im Erz enthaltene Oxid umgewandelt

8. Nickel wird aus Pentlandit-Erz gewonnen. Das darin enthaltene Nickelsulfid wird zunächst in ein Oxid umgewandelt, das dann mit Kohlenstoff (Koks) zu metallischem Nickel reduziert wird.

9. Zur Gewinnung von Kupfer wird Chalkopyrit-Erz (Kupferpyrit) verwendet. Das darin enthaltene Sulfid wird durch Erhitzen unter Bedingungen begrenzten Luftzugangs reduziert.

10. Eine Legierung ist eine Mischung (oder Lösung) eines Metalls mit einem oder mehreren anderen Elementen.

11. Stähle sind Legierungen aus Eisen, ihrem Hauptbestandteil.

12. Je höher der Kohlenstoffgehalt in ihnen ist, desto größer ist die Härte von Kohlenstoffstählen.

13. Edelstahl, Werkzeugstahl und Siliziumstahl sind Arten von legierten Stählen.

14. Legierungen aus Titan und Nickel werden in der Technik häufig verwendet. Zur Herstellung von Münzen werden Kupferlegierungen verwendet.

15. Chloridoxid ist Nickeloxid und wird als Industriekatalysator verwendet.

16. Metalloxide werden zur Herstellung farbiger Gläser verwendet, andere Metallverbindungen werden als Pigmente verwendet.

17. d-Metalle spielen eine wichtige Rolle in biologischen Systemen. Beispielsweise enthält Hämoglobin, der rote Farbstoff im Blut, Eisen.