potassium) и сохранившееся в английском, французском, испанском, португальском и польском языках, также происходит от слова «поташ». Само по себе слово «поташ» в английском языке появилось в результате сочетания слов pot («горшок») и ash («зола»). Для получения поташа древесину плотных пород дерева дожигали до золы, золу несколько суток вываривали в воде в специально приспособленных для этого медных горшках. В результате этой обработки соли калия преимущественно переходили в раствор, раствор фильтровали или сливали, отделяя от осадка, после чего упаривали, получая твердую соль – поташ. Основным компонентом поташа был карбонат калия (его до сих пор называют поташом), но также содержал и другие соли калия – сульфат и хлорид (садоводы-огородники знают, что зола, оставшаяся после сжигания веток или листвы, – хорошее калийное удобрение). Зачем нужны были все описанные выше мучения? До появления мыла поташ применялся для умывания рук и мойки посуды, его добавляли в смесь для производства стекла вместо соды, получая в результате хрусталь. Из поташа также можно было получить «едкий поташ» – раствор, преимущественно содержавший калиевую щёлочь. Для этого в раствор поташа добавляли известковую воду (гидроксид кальция, Са(ОН)2), протекала обменная реакция, плохо растворимые в воде карбонат и сульфат кальция выпадали в осадок, а из жидкости, оставшейся над осадком, можно было выделить гидроксид калия – едкий поташ. Именно из гидроксида в 1807 году Дэви и смог выделить первый образец металлического калия. Это открытие стало вехой в истории химии – калий стал первым металлом, для получения которого воспользовались электричеством.
За два десятка лет до открытия Дэви итальянский врач Луиджи Гальвани заметил, что при прикосновении стального ножа к внутренним бедренным нервам мертвой лягушки мышцы её ноги сокращались. Дальнейшие опыты показали, что такую реакцию вызывают все металлы. Земляк Гальвани Алессандро Вольта объяснил наблюдения Гальвани электрическими явлениями и сконструировал источник постоянного тока – вольтов столб.
Применение электричества в химии началось с демонстрационных экспериментов – в 1800-х годах английский химик Уильям Николсон на своих лекциях с помощью электричества демонстрировал разложение (электролиз) воды на составляющие её водород и кислород. Дэви решил, что электричество можно использовать и в научных целях, а не только для получения уже известных веществ, и начал эксперименты с едким поташом.
И Дэви, и его современники уже представляли, что ни просто поташ, ни едкий поташ не являются самостоятельными химическими элементами, но точный состав этих веществ был неизвестен – многие в то время даже предполагали, что поташ – соединение фосфора с азотом или серой. Первые попытки Дэви окончились неудачей – электролиз водного раствора гидроксида калия приводил только к разложению воды на водород и кислород, и тогда Дэви решил избавиться от воды и подвергнуть электролизу расплавленный гидроксид калия. В октябре 1807 года эксперимент, проведённый в Королевском институте Лондона дал свои плоды. Как позже писал в дневнике ассистировавший Дэви его кузен Эдмунд Дэви, «Мельчайшие шарики калия прорывались сквозь твердую корку поташа и загорались при контакте с атмосферой. Он [Хэмфри Дэви] не мог сдержать радости – он пританцовывал от восторга; ему потребовалось немного времени, чтобы успокоиться и подготовиться к продолжению эксперимента…».
Радость Дэви можно было понять – он не только доказал, что едкий поташ не содержит фосфора, но и получил неизвестный металл – об этом говорил серебристый блеск нового элемента, который, однако, на воздухе быстро исчезал из-за реакции калия с кислородом (в настоящее время для того, чтобы калий и другие щелочные металлы не окислялись, их хранят под керосином). Ещё одной необычной особенностью калия было то, что его плотность меньше воды, то есть он вполне мог бы плавать на поверхности воды, если бы не реагировал с ней. Активность калия столь высока, что он реагирует даже со льдом. Калий оказался во многом первым – первый выделенный в свободном виде щелочной металл, первый металл, полученный с помощью электричества – метода, который немного позже назвали электролизом. Дэви не стал почивать на лаврах и использовал отработанную на получении калия методику для получения металлических натрия, кальция, магния и бария.
Большая часть производящихся в настоящее время соединений калия применяются в качестве удобрений. Калий является одним из трех базовых элементов, которые необходимы для роста растений наряду с азотом и фосфором. При его недостатке в организме растения нарушается структура мембран хлоропластов – клеточных органелл, в которых проходит фотосинтез, что можно увидеть по пожелтению и затем отмиранию листьев.
Жидкий при комнатной температуре сплав калия и натрия используется в качестве теплоносителя в атомных силовых установках на быстрых нейтронах, где требуется отводить больше тепла, чем может отвести только натрий. Интересен сплав, содержащий 12 % натрия, 47 % калия и 41 % цезия. Он остается жидким до −78 °C.
Суточная норма калия в нашем рационе составляет от 3500 до 4700 миллиграммов, хотя в некоторых случаях, к которым относятся хронический алкоголизм и синдром хронической усталости, его может потребоваться больше. К богатым калием продуктам питания относятся орехи, авокадо, цитрусовые, бананы, арбуз, помидоры, фасоль, картофель, зелень, шпинат, соевые продукты, морепродукты и мясо.
20. Кальций
Когда-то, когда я учился в школе, нам говорили о четырёх вкусовых ощущениях – кислом, сладком, горьком и солёном. Где-то на рубеже двадцатого и двадцать первого веков вкус перестали рассматривать как субъективное ощущение и «привязали» к белкам-рецепторам, которые распознают те или иные вещества. Тогда стали говорить о пятом ощущении вкуса – умами (острое, белковое), в котором задействованы рецепторы, распознающие глутамат-ион.
В 2008 году ощущений вкуса стало шесть – оказалось, что на языке крыс есть рецепторы, распознающие ионы кальция, а в 2012 году стало известно о том, что аналогичные белки-рецепторы есть и на языке человека. Мы можем чувствовать вкус кальция, но на уровне субъективных ощущений этот вкус похож на горький.
Очевидно, что все сформировавшиеся у нас за время эволюции вкусовые ощущения несут какую-то практическую цель – сладкий вкус, например, помогает нам понять, что еда богата энергией. Для чего же у нас сформировался «вкус кальция»? Дело в том, что кальций важен для обмена веществ и для нашего организма (вот только в волосах, вопреки рекламе, и рогах, вопреки известному анекдоту, его нет). В среднем, тело человека содержит около килограмма кальция, причем 99% этого элемента приходится на костную ткань (это только кажется, что мало, учтите, что неорганическая матрица кости преимущественно состоит из фосфата кальция Ca3(PO4)2, так что суммарная масса фосфора и кислорода добавит к неорганической составляющей костей ещё 1,6 килограмма, а в костной ткани есть еще и белковые компоненты… Кальций – пятый по распространённости химический элемент в земной коре, где он преимущественно содержится в виде карбоната (мела или известняка). Ион кальция – пятый по распространённости ион в морской и океанской воде.
Своё название кальций получил от латинского слова calx (известь, мягкий камень). Крёстный отец и первооткрыватель кальция опять же Хэмфри Дэви, получивший его в 1808 году после успеха с выделением металлического калия. Чтобы получить кальций, Дэви подвергал электролизу смесь влажного гидроксида кальция и оксида ртути. Сейчас для промышленного производства кальция применяют электролиз расплавленного хлорида кальция. На воздухе металлический кальций быстро тускнеет, покрываясь бледно-серой пленкой, в состав которой входят оксид и нитрид. В отличие от магния, кальций сложнее поджечь, но, будучи подожжён, он горит ярким кирпично-красным пламенем.
Металлический кальций используются для получения таких металлов, как хром, торий и уран, с помощью гранул из металлического кальция удаляют следы воздуха из электровакуумных приборов. Применение соединений кальция гораздо более разнообразно и масштабно. Хроники Раннего Средневековья говорят о том, что строительный гипс применялся для фиксации конечностей при переломах уже в 975 году. А вот когда и где появилась технология производства того самого строительного гипса, а также цемента – уже сложно определить. Считается, что способы производства вяжущих строительных веществ с применением известняка были изобретены в третьем-четвертом тысячелетии до нашей эры одновременно в нескольких не контактировавших друг с другом культурах – примерно одновременно применение кальцийсодержащих строительных материалов началось в Древнем Египте, на территории Китая и в Мезоамерике.
Вода, которую мы пьём, тоже содержит ионы кальция. То, что мы называем «жёсткой водой», – вода, содержащая повышенное количество ионов кальция и магния. Ионы этих металлов попадают в воду из-за того, что она контактирует с находящимися в земной коре соединениями кальция – карбонатом (образующим меловые или известковые залежи), сульфатом или фосфатом. Регулярное потребление жёсткой воды может вызывать формирование камней в почках, а также на зубной эмали и в суставах, образующаяся при нагревании жёсткой воды накипь может приводить в негодность нагревательные элементы чайников, стиральных и посудомоечных машин. Интересно, что часто вкус пива определяется концентрацией ионов кальция в воде, применявшейся для пивоварения, и некоторых премиум-сортах концентрация кальция даже выше, чем в жёсткой воде.
Суточная норма потребления кальция составляет 1000–1300 миллиграммов. В ходе процесса биоминерализации образуются кости и зубная эмаль. Кости в нашем организме играют не только опорную функцию, они также запасают кальций. Кальций может покидать кости в результате деминерализации, например, при беременности – кальций мигрирует в формирующийся плод. Патологическая деминерализация – болезнь под названием «остеопороз». При остеопорозе со временем кости теряют кальций необратимо, их масса уменьшается, и они становятся более ломкими – в конечном итоге появляется «возрастная склонность» к переломам.