CША достигли прогресса в инерциальном управляемом термоядерном синтезе. Трансурановые элементы Кто придумывает название для новых элементов
Химические элементы.
Достижения и перспективы
Определение, которое дал химической науке Д.И.Менделеев, до сих пор остается правильным и точным: «Химия – это учение об элементах и химических соединениях». Химические элементы являются фундаментом всей химии, поскольку из них состоят все известные на сегодня химические соединения (в настоящее время их более 14 млн), а также все те, которые будут когда-нибудь получены.
Основную часть периодической системы многие вполне справедливо воспринимают как перечень элементарных «кирпичиков», из которых построены предметы окружающего мира. Однако не следует рассматривать химические элементы только как «строительный материал» для конструирования молекул, поскольку в чистом виде они имеют заслуги ничуть не меньшие, чем миллионы полученных из них соединений, и исключительно широко применяются в современном мире (см. об этом подробнее: Химические элементы в повседневной жизни. «Химия», 1998, № 42).
Уважая строгую терминологию, отметим, что химический элемент – это латинский символ в периодической системе либо конкретный атом, а вот получить и провести последующие исследования можно не с химическим элементом, а только с так называемым простым веществом, состоящим из атомов одного типа. В англоязычной литературе проще: и то, и другое в ней называют одним словом – element . А потому далее будем пользоваться русским аналогом этого слова в широком смысле.
Подводя итоги столетия, прежде всего рассмотрим, как происходило в нынешнем столетии заполнение периодической системы новыми элементами. К концу предыдущего столетия в таблице Д.И.Менделеева находилось около 80 элементов. Начало ХХ в. было ознаменовано присуждением Нобелевской премии У. Рамзаю за открытие инертных газов (1904); однако далеко не всегда такое событие отмечалось столь торжественно. Получение еще только двух элементов – радия и полония – было отмечено таким же образом (М.Склодовская-Кюри, Нобелевская премия 1911 г.).
В 1927 г. был получен рений. Это был своеобразный этап в истории открытия новых элементов, поскольку рений был последним стабильным химическим элементом, найденным в природе. Далее все стало намного сложнее, т. к. все последующие элементы можно было получить исключительно с помощью ядерных реакций.
Достаточно много времени ушло на то, чтобы заполнить четыре пустующие ячейки в середине таблицы до урана (см. об этом: Ошибки и заблуждения в истории химии. «Химия», 1999, № 8). Технеций – элемент № 43 – был получен в 1937 г. при длительном облучении ядрами тяжелого водорода (дейтерия) пластинки из молибдена. Элемент № 87 – франций – в 1939 г. был обнаружен в продуктах радиоактивного распада природного актиния. Элемент № 85 – астат – удалось получить в 1940 г. при бомбардировке висмута ядрами гелия. Элемент № 61 – прометий – выделили в 1945 г. из продуктов деления урана. Далее с помощью реакций ядерного синтеза началось постепенное заполнение 7-го периода таблицы элементами, следующими за ураном. Последним химическим элементом, получившим название, стал № 109. Элементы с № 110 и далее обозначают только порядковыми номерами.
Сейчас уже можно сказать, что ХХ столетие завершается не менее торжественно, чем начиналось. В декабре 1998 г. в Дубне был получен новый элемент – № 114 – при облучении изотопа плутония пучком ускоренных ионов кальция. Если просуммировать количество протонов двух взаимодействующих ядер – плутония и кальция, то получим 94 + 20 = 114. Это и соответствует элементу № 114. Однако получившееся ядро, масса которого 244 + 48 = 292, оказалось нестабильным. Оно выбрасывает три нейтрона и образует изотоп Предварительные расчеты показывали, что элемент № 114, а также недостижимые пока элементы № 126 и № 164 должны попадать в так называемые острова стабильности. Относительно элемента № 114 это подтвердилось. Время его жизни более 0,5 мин, что составляет очень большую величину для такого сверхтяжелого атома. В 1999 г. в лаборатории г. Беркли (США) был получен элемент № 118 при бомбардировке свинца ионами криптона. Время его жизни – миллисекунды. При распаде он образует новый нестабильный элемент № 116, который быстро превращается в более устойчивый элемент № 114.
Итак, на сегодня периодическая система завершается 118-м элементом. Эксперименты по синтезу новых элементов необычайно трудоемки и достаточно длительны. Дело в том, что, проходя через электронные оболочки атомов, ядра-снаряды тормозятся и теряют энергию. Кроме того, ядро, образовавшееся при слиянии, чаще всего распадается на два более легких ядра. Лишь в редких случаях оно испускает несколько нейтронов (как, например, при получении элемента № 114) и образует нужное тяжелое ядро. Несмотря на трудности, эксперименты, направленные на синтез новых элементов, продолжаются.
Рассматривая все богатство накопленных к настоящему моменту химических элементов, попробуем подвести итог столетию. Проведем своеобразное состязание между всеми известными на сегодня химическими элементами и попробуем определить, какие из них оказались в ХХ в. самыми значимыми. Иными словами, отметим лишь те элементы, которые более всего способствовали повышению уровня цивилизации и развитию прогресса.
Очевидных лидеров всего два. Первый – это уран , создавший совершенно новую научную дисциплину – ядерную физику и предоставивший человечеству громадные запасы энергии. Многим, вероятно, покажется такое лидерство спорным. Уран дал человечеству ожидание мрачных последствий применения ядерного оружия, аварии атомных электростанций (АЭС) и проблемы утилизации ядерных отходов.
Все эти опасения вполне обоснованны, однако рассмотрим вопрос более детально.
Что касается угрозы применения ядерного оружия, то эту проблему человечество постоянно держит в поле своего зрения. Все вопросы, связанные с полным запрещением производства и применения такого оружия, неизбежно придется решать и в будущем. Более сложным и спорным является вопрос о применении ядерной энергии в мирных целях. Чернобыльская катастрофа 26 апреля 1986 г. привела к тому, что у всех людей тревожно сжимается сердце при словах «радиация» и «облучение». Во всем мире пошатнулось доверие к ядерной энергетике.
Не следует ли вообще отказаться от АЭС? Вначале казалось, что так и произойдет. Многие страны стали пересматривать необходимость строительства новых станций. Проведенные референдумы показывали: большинство людей считает, что надо отказаться от использования атомной энергии. Однако спокойный трезвый анализ всего произошедшего постепенно привел к иным выводам. По аварийности АЭС стоят практически на последнем месте среди всех современных источников, производящих электроэнергию в больших количествах. Более того, количество смертных случаев при эксплуатации АЭС несколько ниже, чем даже в пищевой и ткацкой отраслях промышленности.
Эта картина не изменилась и при учете последствий чернобыльской аварии, крупнейшей за всю историю развития атомной энергетики. Произошла она прежде всего из-за грубейшего нарушения правил эксплуатации: в реакторе находилось недопустимо малое количество кадмиевых стержней, тормозящих реакцию. Кроме того, станция не имела защитного колпака, предотвращающего выброс радиоактивных веществ в атмосферу. В итоге реализовался один из самых худших вариантов. Тем не менее выброс в атмосферу радиоактивных веществ не превысил 3,5% от их суммарного количества, накопленного в реакторе. Разумеется, никто не считает, что с этим можно смириться. Системы контроля безопасности АЭС были после этого существенно пересмотрены. Основные научно-исследовательские и конструкторские разработки в настоящее время направлены на повышение их безаварийности. Управление реактором должно быть надежно заблокировано как от преступной небрежности, так и от возможных злонамеренных замыслов террористов. Кроме того, все вновь строящиеся станции будут снабжены защитными колпаками, для того чтобы исключить возможность попадания радиоактивных веществ в окружающую среду.
Никто не собирается преуменьшать опасность ядерных реакторов. Однако хотим мы того или нет, весь накопленный опыт развития цивилизации неизбежно приводит к определенному выводу.
Никогда в истории человечества не было случая, чтобы оно отказывалось от достижений прогресса только из-за того, что они представляют определенную опасность. Взрывы паровых котлов, железнодорожные и авиакатастрофы, автомобильные аварии, поражения электрическим током не привели к тому, что человечество запретило бы использование этих технических средств. В результате лишь увеличивалась интенсивность работ, направленных на повышение их безопасности. Запреты имели место только для различных видов оружия. То же самое и в случае с ядерной энергетикой.
Неужели будут строиться новые
АЭС? Да, это неизбежно, поскольку уже сейчас более
четверти электроэнергии, потребляемой крупными
городами (Москва, Санкт-Петербург) производятся
АЭС (в западных странах эта цифра выше). От этого
нового вида энергии человечество уже не сможет
отказаться. При надежно организованной
эксплуатации АЭС, несомненно, выигрывают в
сравнении с тепловыми станциями, пожирающими
железнодорожные составы с углеводородным
топливом и загрязняющими атмосферу продуктами
сгорания угля и нефти.
Гидростанции превращают леса и пахотные земли в
заболоченные участки и нарушают естественный
биоритм всего живого на громадной территории.
АЭС несравненно удобнее в эксплуатации. Они
могут быть расположены в местах, удаленных от
залежей угля и лишенных источников гидроэнергии.
Смена ядерного горючего происходит не чаще чем
один раз в полгода. Расход топлива можно оценить
по следующему показателю. При делении 1 г
изотопов урана выделяется столько же энергии,
сколько при сжигании 2800 кг углеводородного
топлива. Иными словами, 1 кг ядерного горючего
заменяет эшелон угля.
При этом мировые запасы урана содержат аккумулированной энергии в миллионы раз больше, чем энергетические ресурсы имеющихся запасов газа, нефти и угля. Ядерного топлива хватит на десятки тысяч лет с учетом постоянно возрастающей потребности в источниках энергии. При этом углеводородное сырье можно использовать намного эффективнее для синтеза различных органических продуктов.
Сразу возникает вопрос, что делать с отходами отработанного ядерного топлива. О проблемах захоронения таких отходов слышали, наверное, многие. Проводятся интенсивные научные работы для решения этой проблемы (человечество обычно спохватывается с некоторым запаздыванием). Один из перспективных путей – строительство ядерных реакторов, воспроизводящих горючее. В обычных ядерных реакторах изотоп урана 238 U является как бы балластом, основная реакция проходит при участии изотопа 235 U, которого, кстати, в природном уране очень мало (менее 1%). Однако малоактивный 238 U, находясь в определенном количестве в ядерном реакторе, может захватывать часть выделяющихся нейтронов, образуя в конечном итоге плутоний 239 Pu, который сам по себе является ядерным горючим, не менее эффективным, чем 235 U.
Схемы многих ядерных превращений просты и наглядны. Перед символом химического элемента помещают два индекса. Верхний указывает массу ядра, т. е. сумму протонов и нейтронов, нижний – число протонов, т. е. положительный заряд ядра. При написании уравнения реакции надо соблюдать простое правило – суммарные количества зарядов протонов и электронов в обеих частях уравнения должны быть равны. Кроме того, следует знать одно из простых уравнений ядерной химии – нейтрон может распадаться на протон и электрон: n 0 = p + + e – .
Вот как выглядит схема превращения 238 U в 239 Pu, благодаря чему удастся в будущем использовать в качестве горючего полностью все запасы природного урана:
В первом уравнении показано, что происходит захват нейтрона ядром урана и образуется крайне неустойчивый изотоп урана. Промежуточная стадия – образование и распад неустойчивого изотопа нептуния. Во втором и третьем уравнениях происходит превращение нейтрона в протон (который остается в ядре) и электрон, который выделяется в виде b -излучения. Это традиционное название потока электронов, испускаемых радиоактивным веществом. В итоге образуется очень устойчивый изотоп плутония с периодом полураспада 24 тыс. лет, который можно использовать как ядерное горючее в тех же самых реакторах.
Итак, проблема уничтожения отходов на время отодвигается, но полностью не снимается, однако и она в принципе разрешима.
При работе реактора происходит распад ядра урана с образованием радиоактивных изотопов различных элементов с меньшей массой. Основные – это изотопы кобальта 60 Со, стронция 90 Sr и цезия 137 Cs, прометия 147 Pm, технеция 99 Tc. Некоторые из них уже нашли применение, например, при лечении опухолей (кобальтовые пушки), для предпосевной стимуляции семян и даже в криминалистике. Другая область применения – стерилизация продуктов питания и медицинских препаратов, поскольку испускаемые этими изотопами b - и g -излучения не приводят к появлению радиоактивности в облучаемом веществе.
Очень привлекательна возможность создавать на основе таких b -излучателей источники электроэнергии. Под действием b -лучей (т. е. потока электронов) в полупроводниковых веществах, таких, как кремний или германий, возникает разность потенциалов. Это позволяет создавать, например на основе изотопа 147 Pm, долговременные источники электрического тока, работающие без подзарядки много лет.
Ядерный реактор можно использовать так же, как своеобразную реакционную колбу для направленного синтеза изотопов различных элементов, помимо тех, которые образуются при самопроизвольном распаде. Различные вещества помещают в специальных капсулах в ядерный реактор, где они интенсивно облучаются нейтронами, в результате чего образуются соответствующие изотопы. Получаемые таким образом g -активные изотопы тулия и иттербия, а также образующиеся в реакторах изотопы технеция применяют для создания компактных передвижных установок, заменяющих громоздкие рентгеновские аппараты. Их можно применять не только для диагностики в медицинских целях, но и для нужд техники в целях дефектоскопии различных конструкций и оборудования.
Таким образом, радиоактивные отходы содержат достаточно заметные запасы неизрасходованной энергии, и способы ее извлечения будут в дальнейшем совершенствоваться.
Подведем итог. Уран занимает выдающееся место среди всех остальных элементов. Благодаря ему в ХХ столетии было создано новое научное направление – ядерная физика – и открыт практически неисчерпаемый источник энергии.
Вторым элементом, претендующим на исключительную роль в ХХ в., является кремний . Доказать его значимость не составит особого труда, поскольку с ним не связаны различные мрачные опасения, как в случае с ураном. Во второй половине столетия громоздкие ламповые электронно-вычислительные машины были вытеснены компактными компьютерами. Мозг компьютера – процессор – изготавливается из кристалла сверхчистого кремния. Полупроводниковые свойства кремния позволили создать на его основе миниатюрные сверхбыстродействующие вычислительные устройства, которые и легли в основу всех современных компьютеров. Разумеется, в производстве компьютеров используется масса современных технологий и различных веществ, но поскольку мы ведем речь только о химических элементах, то исключительная роль кремния очевидна.
Ясно, что мы находимся сейчас в начальной стадии мощно развивающегося процесса – ураганного распространения компьютеров буквально во всех областях деятельности человека. Это не просто этап технического прогресса. Наблюдаемый результат впечатляет сильнее, чем в случае с ураном, поскольку происходит не только развитие новых технических средств, но и изменение стиля жизни и образа мыслей человечества.
Компьютеры решительно и энергично входят в дома, покоряя каждого члена семьи, в особенности молодое поколение. На наших глазах происходит в какой-то степени процесс перестройки человеческой психологии. Компьютеры постепенно оттесняют телевизоры и видеомагнитофоны, поскольку большинство именно им отдает большую часть свободного времени. Они открывают удивительные возможности для творчества и досуга.
Возможности компьютеров необычайно велики, и потому они становятся незаменимыми в работе ученых, писателей, поэтов, музыкантов, дизайнеров, шахматистов, фотографов. Они полностью покорили поклонников головоломок и стратегических игр, а также желающих изучать иностранные языки и любителей домашней кухни. Всемирная информационная сеть Интернет буквально удвоила возможности компьютеров. Стали доступными любые информационные и справочные источники, литературные и энциклопедические издания; но появилась исключительная возможность для общения людей, связанных общими интересами. В результате большинство испытывает к своему компьютеру чувство привязанности, сравнимое с любовью к домашним животным.
Нельзя не отметить дополнительные
достоинства кремния, основанные на его
полупроводниковых свойствах. Об одном из них мы
упомянули несколько ранее. Это возможность
превращать
b
-излучение в электроэнергию. Второе очень
ценное свойство реализовано в солнечных
батареях – возможность превращать дневной свет
в электрическую энергию. В настоящее время это
используется в маломощных устройствах, например
в калькуляторах, а также для энергоснабжения
космических аппаратов. В недалеком будущем более
мощные солнечные батареи найдут широкое
применение в быту.
Таким образом, кремний частично вторгается даже в область энергетики, где лидером является уран. Итак, второй победитель нашего состязания – кремний, открывший эру полупроводников и компьютерных технологий.
Соревнование между химическими элементами можно устроить по другим параметрам. Поставим вопрос иначе. Какой из химических элементов (напомню, что химические соединения мы не рассматриваем) более всего потребляет человечество? Очевидно, тот, который более всего производит. Для того чтобы соревнование было справедливым, снимем эффект различия атомных масс у элементов, будем их считать поштучно, т. е. рассмотрим объемы производства, выраженные в молях.
Ниже приведены в порядке возрастания среднегодовые объемы производства (в молях) некоторых наиболее потребляемых элементов (уровень 1980-х гг.):
W – 1,4 10 7 ; U – 2 10 8 ; Si – 2,8 10 8 ; Mo – 6 10 8 ; Ti – 6,3 10 8 ;
Mg – 8 10 9 ; Cu – 1,2 10 11 ; Al – 4,4 10 11 ; O – 1 10 12 ; Cl – 1,2 10 12 ;
S – 1,7 10 12 ; N – 5,1 10 12 ; Fe – 1,2 10 13 ; H – 3 10 13 ; C – 3,3 10 13 ,
Углерод занял главенствующее место благодаря каменноугольному и нефтяному коксу, потребляемому прежде всего металлургией. Алмазы и графит составляют лишь незначительную часть от всего производимого и добываемого углерода. Водород вполне закономерно занял второе место, поскольку области его применения необычайно разнообразны: металлургия, нефтепереработка, химическое и стекольное производство, а также ракетная техника. Железо в нашем конкурсе заняло почетное третье место, несмотря на достаточно высокую атомную массу.
Напомню, что мы сравниваем производство элементов, выраженное в молях. Если бы проводилось сравнение в массовом выражении, то железо оказалось бы бесспорным лидером. Оно известно человечеству с древнейших времен, и его роль в развитии прогресса постоянно возрастала. Образно говоря, упомянутые выше уран и кремний можно сравнить со вспыхнувшими новыми звездами на небосклоне ХХ столетия, в то время как железо – надежное светило, озаряющее весь путь цивилизации в течение многих веков. Железо – стержень всей современной индустрии, и можно полагать, что эта его роль сохранится и в XXI в.
Интересно сравнить полученный выше ряд с распространенностью элементов на земном шаре. Вот восемь наиболее распространенных элементов (в порядке возрастания их мольного содержания): Na, Fe , H , Mg , Ca , Al , Si , O . Очевидно, что закономерность иная. Природе не удалось навязать человечеству свои правила игры. Мы потребляем больше всего не то, что имеется в максимальном количестве, а то, что диктуют нужды прогресса.
Возможности химических элементов исчерпаны далеко не полностью. Интересно, какие из них окажутся самыми значимыми в ХХI в.? Вряд ли такое возможно предугадать. Предоставим решать этот вопрос и подводить итоги тем, кто будет встречать 2101 г.
Вновь вернемся к периодической системе – замечательному каталогу химических элементов. В последнее время ее чаще изображают в форме развернутой таблицы. Такая конфигурация несравненно более наглядна и удобна. Горизонтальные ряды, называемые периодами, стали длиннее. В таком варианте присутствует уже не восемь групп элементов, как ранее, а восемнадцать. Исчезает термин «подгруппы», остаются только группы. Все однотипные элементы (они отмечены индивидуальной раскраской фона) расположены компактно. Лантаноиды и актиноиды, как и прежде, размещены в отдельных строках.
Теперь попробуем заглянуть в будущее. Как будет заполняться периодическая система далее? Показанная выше таблица заканчивается актиноидом лоуренсием – № 103. Рассмотрим нижнюю часть таблицы более подробно, введя в нее элементы, открытые в последние годы.
Химические свойства полученного в 1998 г. элемента № 114 можно ориентировочно предсказать по положению в периодической системе. Это – непереходный элемент, находящийся в группе углерода, и по свойствам должен напоминать свинец, расположенный над ним. Впрочем, химические свойства нового элемента недоступны для непосредственного изучения – элемент зафиксирован в количестве нескольких атомов и недолговечен.
У последнего полученного на сегодня элемента – № 118 – целиком заполнены все семь электронных уровней. Поэтому вполне естественно, что он находится в группе инертных газов – над ним расположен радон. Таким образом, 7-й период таблицы Менделеева завершен. Эффектный финал столетия!
В течение всего ХХ в. человечество в основном заполняло именно этот седьмой период, и сейчас он простирается от элемента № 87 – франция – до недавно синтезированного элемента № 118 (некоторые элементы в этом периоде пока не получены, например № 113, 115 и 117).
Наступает момент в определенном смысле торжественный. С элемента № 119 в периодической системе начнется новый, 8-й период. Вероятно, это событие украсит начало следующего столетия. Схема постепенного достраивания электронных оболочек в общих чертах ясна. Все будет воспроизводиться по уже известной системе: в определенный момент появятся f -элементы, соответствующие лантаноидам, а далее – аналоги d -элементов, называемых переходными. Самое интересное, что у элементов 8-го периода начнет заполняться также новый, не существующий у всех на сегодня полученных элементов g -уровень. Итак, появятся g -элементы, не имеющие аналогов в известной нам на сегодня периодической системе. Есть основания полагать, что они будут предшествовать f -элементам.
Внимательное рассмотрение периодической системы позволяет обнаружить в ней определенную стройность, которая заметна не сразу. Именно благодаря этой стройности система имеет некоторую предсказательную силу. Подтвердим это несколькими примерами.
Поставим вопрос: сколько будет ожидаемых g -элементов в 8-м периоде? Простой расчет позволяет это выяснить. Вначале вспомним, что электроны располагаются на определенных уровнях. Количество возможных уровней для каждого элемента соответствует номеру периода. Электронные уровни делятся на подуровни, называемые орбиталями и обозначаемые буквами латинского алфавита s, p, d, f. Каждый новый подуровень может появиться только в установленный момент, когда атомный номер достигает определенной величины. На каждом подуровне (или, иначе говоря, на каждой орбитали) может расположиться не более двух электронов. s- Орбиталь у каждого элемента может быть только одна, на ней либо один, либо два электрона. р -Орбиталей может быть три, стало быть, на них максимально возможное число электронов – шесть. Почему р -орбиталей может быть только три? Это определяется законами квантовой механики. В нашей беседе мы сосредоточиваться на этом не будем. d -Орбиталей может быть только пять, значит – 10 электронов.
Групповые названия элементам дают в соответствии с названиями орбиталей. Элементы, у которых происходит заполнение электронами s- орбиталей, называют s -элементами, если заполняются р -орбитали, то это р -элементы, и так далее. Все это хорошо видно на таблице, где для каждого типа элементов дана соответствующая окраска фона. Таким образом, в каждом периоде таблицы присутствует по два s -элемента, по шесть p- элементов и по десять d -элементов. Проверьте эту простую закономерность по таблице (d -элементы появляются впервые только в 4-м периоде).
Вероятно, вы заметили, что количество возможных орбиталей при переходе от s- к p- и d- орбиталям имеет простую закономерность. Это ряд нечетных чисел: 1, 3, 5. Как, по-вашему, сколько существует возможных f -орбиталей? Логика подсказывает, что семь. Так оно и есть, и на них может разместиться максимально 14 электронов. Значит, f -элементов в одном периоде может быть только 14. Именно таково число лантаноидов в таблице. Актиноиды тоже f -элементы, и их тоже 14. Теперь основной вопрос: сколько может быть g -орбиталей? Продлим мысленно ряд чисел: 1, 3, 5, 7. Стало быть, g -орбиталей – девять, а число возможных g -элементов – 18.
Итак, мы ответили на поставленный выше вопрос. Экспериментально все это может быть подтверждено только в отдаленном будущем. Какой же будет номер у самого первого g- элемента? Однозначно ответить пока невозможно, поскольку порядок заполнения электронных уровней может быть совсем не тот, что в верхней части таблицы. По аналогии с тем, в какой момент появляются f -элементы, можем предположить, что это будет элемент № 122.
Попробуем решить другой вопрос. Сколько же всего будет элементов в 8-м периоде? Поскольку прибавление каждого электрона соответствует появлению нового элемента, то просто надо сложить максимальное число электронов на всех орбиталях от s до g : 2 + 6 + 10 + 14 + 18 = 50. Долгое время так и предполагали, однако компьютерные расчеты показывают, что в 8-м периоде будет не 50, а 46 элементов.
Итак, 8-й период, который, как мы полагаем, начнет заполняться в XXI в., будет простираться от элемента № 119 до № 164. Впрочем, открытие нового элемента – вещь ожидаемая, но не всегда предсказуемая, и потому надо быть готовым к тому, что элемент № 119 будет получен еще до того, как эта статья попадет в руки читателю, что придаст еще большую торжественность моменту наступления нового века.
Внимательное рассмотрение периодической системы позволяет отметить еще одну простую закономерность. р -Элементы впервые появляются во 2-м периоде, d -элементы – в 4-м, f -элементы – в 6-м. Получился ряд четных чисел: 2, 4, 6. Эта закономерность определяется правилами заполнения электронных оболочек. Теперь вам должно быть понятно, почему g- элементы появятся, как уже было сказано выше, в 8-м периоде. Простое продолжение ряда четных чисел! Существуют и более дальние прогнозы, но они основаны на достаточно сложных расчетах. Например, показано, что в 9-м периоде будет всего 8 элементов, как во 2-м и 3-м, что несколько неожиданно.
Очень интересно, существует ли теоретически последний элемент периодической системы? Современные расчеты ответить на этот вопрос пока не могут, так что он наукой еще не решен.
Мы достаточно далеко зашли в наших прогнозах, может быть, даже в XXII в., что, впрочем, вполне объяснимо. Попытаться бросить взгляд в отдаленное будущее – вполне естественное желание для каждого человека, особенно в тот момент, когда происходит смена не только столетия, но и тысячелетия.
М.М.Левицкий
Физики из Ливерморской национальной лаборатории в США в январе 2016 года сообщили о прогрессе в инерциальном управляемом термоядерном синтезе. При помощи новой технологии ученые сумели в четыре раза повысить эффективность подобных установок. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Physics, кратко о них проинформировали Ливерморская национальная лаборатория иКалифорнийский университет в Сан-Диего. О новых достижениях рассказывает «Лента.ру».
Человек давно пытается найти альтернативу углеводородным источникам энергии (углю, нефти и газу). Сжигание топлива загрязняет окружающую среду. Его запасы стремительно сокращаются. Выход из ситуации - зависимости от водных ресурсов, а также климата и погоды, - создание термоядерных электростанций. Для этого необходимо добиться управляемости реакций термоядерного синтеза, при которых выделяется необходимая человеку энергия.
В термоядерных реакторах тяжелые элементы синтезируются из легких (образование гелия в результате слияния дейтерия и трития). Обычные (ядерные) реакторы, наоборот, работают на распаде тяжелых ядер на более легкие. Но для синтеза необходимо разогреть водородную плазму до термоядерных температур (примерно таких, как в ядре Солнца, - сто миллионов градусов Цельсия и более) и удерживать ее в равновесном состоянии до возникновения самоподдерживающейся реакции.
Работы ведутся по двум перспективным направлениям. Первое связано с возможностью удержания разогретой плазмы при помощи магнитного поля. К подобного рода реакторам относятся токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) и стелларатор. В токамаке по плазме в форме тороидального шнура пропускают электрический ток, в стеллараторе магнитное поле наводится внешними катушками.
Строящийся на территории Франции ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор) относится к токамакам, а запущенный в декабре 2015 года в Германии Wendelstein 7-X - к стеллараторам.
Второе перспективное направление управляемого термоядерного синтеза связано с лазерами. Физики предлагают при помощи лазерного излучения быстро нагреть и сжать до необходимых температур и плотностей вещество, чтобы оно, будучи в состоянии инерционно удерживаемой плазмы, обеспечило протекание термоядерной реакции.
Инерциальный управляемый термоядерный синтез предполагает использование двух основных методов зажигания предварительно сжатой мишени: ударного - при помощи сфокусированной ударной волны, и быстрого - имплозии (взрыва внутрь) сферического водородного слоя внутри мишени. Каждый из них (в теории) должен обеспечить оптимальное преобразование лазерной энергии в импульсную и ее последующую передачу сжатой сферической термоядерной мишени.
Установка в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций в СШАприменяет второй подход, предполагающий разделение фаз сжатия и нагрева. Это, по словам ученых, позволяет снизить плотность топлива (или его массу) и обеспечить более высокие коэффициенты усиления. Нагрев порождается коротким импульсом петаваттного лазера: интенсивный электронный пучок отдает свою энергию мишени. Эксперименты, о которых сообщается в последнем исследовании, проводились в Нью-Йорке на установке OMEGA-60 в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета, включающей в себя 54 лазера с суммарной энергией 18 килоджоулей.
Изученная учеными система устроена следующим образом. Мишень представляет собой пластиковую капсулу, на внутреннюю стенку которой нанесен тонкий дейтерий-тритиевый слой. При облучении капсулы лазерами она расширяется и заставляет сжиматься расположенный внутри нее водород (в ходе первой фазы), который разогревается (в ходе второй фазы) до плазмы. Плазма из дейтерия и трития дает рентгеновское излучение и давит на капсулу. Данная схема позволяет системе не испариться после ее облучения лазером и обеспечивает более равномерный нагрев плазмы.
В своих опытах ученые в пластиковую оболочку ввели медь. Когда лазерный луч направляется на капсулу, та выбрасывает быстрые электроны, которые попадают на медные индикаторы и заставляют их испускать рентгеновские лучи. Ученые впервые смогли представить технику визуализации электронов K-оболочки, позволяющую отслеживать перенос энергии электронами внутри капсулы и в результате более аккуратно рассчитывать параметры системы. Важность этой работы заключается в следующем.
Достижению высокой степени сжатия мешают быстрые электроны, в энергию которых превращается большая доля поглощенного мишенью излучения. Длина свободного пробега таких частиц по порядку совпадает с диаметром мишени, вследствие чего она преждевременно перегревается и не успевает сжаться до нужных плотностей. Выполненное исследование позволило заглянуть внутрь мишени и отследить происходящие там процессы, предоставив новую информацию о необходимых для оптимального излучения мишени параметрах лазера.
Работы, относящиеся к инерциальному термоядерному синтезу, кроме США ведутся в Японии, Франции и России. В городе Саров Нижегородской области на базе Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики в 2020 году планируется ввести в строй лазерную установку двойного назначения УФЛ-2М, которая среди прочих задач должна использоваться для исследований условий зажигания и горения термоядерного топлива.
Эффективность термоядерной реакции определяется как отношение энергии, выделившейся в реакции синтеза, к полной энергии, потраченной на нагрев системы до необходимых температур. Если эта величина больше единицы (ста процентов), лазерный термоядерный реактор можно считать успешным. В экспериментах физикам удалось до семи процентов энергии лазерного излучения передать топливу. Это в четыре раза превышает ранее достигнутую эффективность систем быстрого зажигания. Компьютерное моделирование позволяет спрогнозировать повышение эффективности до 15 процентов.
Опубликованные результаты повышают шансы на то, что Конгресс США продлит финансирование мегаджоулевых установок, таких как Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций в городе Ливермор (затраты на создание и поддержание его работоспособности превысили четыре миллиарда долларов). Несмотря на скептицизм, сопровождающий исследования в области термоядерного синтеза, они медленно, но уверенно движутся вперед. В этой области перед учеными стоят не фундаментальные, а технологические задачи, требующие международного сотрудничества и адекватного финансирования.
В ХХ веке элементы главных подгрупп Периодической системы были менее популярны, чем те, что расположены в побочных подгруппах. Литий, бор и германий оказались в тени своих дорогих соседей - золота, палладия, родия и платины. Конечно, нельзя не признать, что классические химические свойства элементов главных подгрупп не могут сравниться с быстрыми и элегантными процессами, в которых участвуют комплексы переходных металлов (за открытие этих реакций присуждена не одна Нобелевская премия). В начале 1970-х годов среди химиков вообще бытовало мнение, что элементы главных подгрупп уже раскрыли все свои секреты, а их изучение - фактически пустая трата времени.
Скрытый химический переворот
Когда автор этой статьи был студентом (а он получил диплом Казанского университета в 1992 году), ему и многим его однокурсникам химия p -элементов казалась самым скучным разделом. (Напомним, что s -, p - и d -элементы - это те, валентные электроны которых занимают соответственно s -, p - и d -орбитали.) Нам рассказывали, в какой форме эти элементы существуют в земной коре, преподавали методы их выделения, физические свойства, типичные степени окисления, химические свойства и практическое применение. Вдвойне скучно было тем, кто прошел через химические олимпиады и узнал всю эту полезную информацию еще школьником. Может быть, поэтому в наше время кафедра неорганической химии была не очень популярна при выборе специализации - все мы старались попасть к органикам или элементоорганикам, где рассказывали про наступившую в химии эру переходных металлов, катализирующих все мыслимые и немыслимые превращения веществ.
Тогда еще не было компьютеров и Интернета, всю информацию мы получали только из реферативных журналов по химии и некоторых иностранных журналов, которые выписывала наша библиотека. Ни мы, ни наши преподаватели не знали, что в конце 1980-х годов уже стали заметными первые признаки ренессанса химии элементов главных подгрупп. Именно тогда обнаружили, что возможно получить экзотические формы p -элементов - кремний и фосфор в низкокоординированном и низкоокисленном состояниях, но при этом способные образовывать вполне устойчивые при комнатной температуре соединения. Хотя об их практическом применении в тот момент речь не шла, первые успешные примеры синтеза этих веществ показывали, что химию элементов главных подгрупп немного недооценили и, возможно, придет время, когда p -элементы смогут выйти из тени d - и даже f -элементов. В итоге так и получилось.
Точкой начала разворота к элементам главных подгрупп можно считать 1981 год. Тогда было опубликовано целых три работы, опровергающих представление о том, что устойчивая двойная или тройная связь может образовываться только в том случае, если один из партнеров этой химической связи (а лучше оба) - элемент второго периода. Первым это «правило двойных связей» опроверг Роберт Уэст из университета Висконсина, в группе которого впервые синтезировали устойчивый силен - соединение с двойной связью кремний-кремний, более тяжелый аналог алкенов, знакомых каждому по органической химии (Science , 1981, 214, 4527, 1343–1344, doi: 10.1126/science.214.4527.1343 ). Вскоре после этого исследователи из Токийского университета, работавшие под руководством Масааки Ёсифудзи, сообщили о синтезе соединения с двойной связью фосфор-фосфор (, 1981, 103, 15, 4587–4589; doi: 10.1021/ja00405a054 ). В том же году Герд Беккер из университета Штутгарта смог получить устойчивый фосфаалкин - соединение с тройной связью фосфор-углерод, который можно рассматривать как фосфорсодержащий аналог нитрилов карбоновых кислот (Zeitschrift für Naturforschung B , 1981, 36, 16).
Фосфор и кремний - элементы третьего периода, поэтому никто не ожидал от них таких возможностей. В последнем соединении атом фосфора координационно ненасыщен, а это позволяло надеяться, что оно или его аналоги найдут применение в качестве катализаторов. Повод для надежды давало то, что основная задача катализатора - связаться с молекулой-субстратом, которую нужно активировать, на это способны только те молекулы, к которым реагент может легко приблизиться, а в привычных большинству химиков фосфатах атом фосфора, окруженный четырьмя группировками, никак нельзя назвать доступным центром.
Главное - объемное окружение
Все три синтеза, опубликованные в 1981 году, удались потому, что были правильно подобраны заместители, окружающие элементы главных подгрупп в их новых, экзотических соединениях (в химии переходных металлов заместители назвали лигандами). Новые производные, полученные Уэстом, Ёсифудзи и Беккером, объединяло одно - объемные лиганды, связанные с элементами главных подгрупп, стабилизировали кремний или фосфор в низкокоординированном состоянии, которое не было бы устойчивым в других обстоятельствах. Объемные заместители защищают кремний и фосфор от кислорода и воды воздуха, а также не дают вступить в реакцию диспропорционирования и принимать типичные для них степени окисления (+4 и +5 для кремния и фосфора соответственно) и координационные числа (четыре для обоих элементов). Так, силен был стабилизирован четырьмя объемными мезитильными группами (мезитил - это 1,3,5-триметилбензол), а фосфаалкин - объемным трет-бутильным заместителем.
Как только стало ясно, что объемные лиганды делают устойчивыми соединения, в которых p -элементы находятся в невысокой степени окисления и/или с низким координационным числом, к получению новых, необычных производных элементов главных подгрупп стали подключаться и другие ученые. Начиная с 2000-х годов практически в каждом номере Science (а с появления в 2009 году журнала Nature Chemistry - в почти каждом его номере) сообщается о каком-то экзотическом соединении с элементом главных подгрупп.
Так, до недавнего времени никто не мог подумать, что удастся получить и охарактеризовать стабильные силилены - кремнийсодержащие эквиваленты карбенов.
Карбены - это частицы с высокой реакционной способностью, в которых на двухвалентном и двухкоординированном атоме углерода либо есть пара электронов (более устойчивый синглетный карбен), либо два отдельных неспаренных электрона (более активный триплетный карбен). В 2012 году Камерон Джонс из австралийского Университета Монаша и его коллеги из Оксфорда и Университетского колледжа Лондона описали первый синглетный силилен - двухвалентный кремний в нем стабилизирован объемным борсодержащим лигандом (Journal of the American Chemical Society , 2012, 134, 15, 6500–6503, doi: 10.1021/ja301042u ). Силилен можно выделить в кристаллическом состоянии, и он, заметим, сохраняет устойчивость при температуре до 130°C. А вот в растворе кремниевый аналог карбена димеризуется с образованием силена либо внедряется в C-H связи алканов, воспроизводя химические свойства своих аналогов карбенов.
Химики продолжают получать все новые органические соединения с элементами главных подгрупп. В частности, пытаются заменить в хорошо известной структуре элемент второго периода на аналогичный ему элемент более старшего периода (в этом номере «Хемоскопа» рассказывается о получении фосфорсодержащего аналога одного из первых синтезированных органических веществ). Другое направление немного похоже на коллекционирование редких марок, только вместо марок - химические структуры. Например, в 2016 году Александр Хинц из Оксфорда пытался получить цикл, содержащий атомы четырех различных пниктогенов (элементов 5-й группы главной подгруппы от азота до висмута). Полностью решить задачу ему не удалось - молекула линейного строения не замкнулась в цикл. Тем не менее впечатляет и молекула с уникальной цепью Sb-N-As = P, включающей четыре из пяти p -элементов подгруппы азота (Chemisrty. A European Journal , 2016, 22, 35, 12266–12269, doi: 10.1002/chem.201601916 ).
Конечно, говорить о синтезе экзотических производных элементов главных подгрупп только как о «химическом коллекционировании» нельзя, поскольку получение аналогов хорошо известных органических соединений, содержащих элементы старших периодов, безусловно важно для уточнения теорий строения химической связи. Разумеется, это не единственная причина интереса химиков. Стремление найти области, в которых эти вещества можно использовать на практике, - именно в нем причина ренессанса химии элементов главных подгрупп.
Еще в 1980-е годы после синтеза первых веществ, в которых наблюдалась низкая координация p -элементов, химики надеялись, что такие координационно ненасыщенные соединения смогут катализировать многие реакции так же, как комплексы переходных металлов. Уж больно заманчиво было бы поменять дорогие соединения платины и палладия на молекулы, содержащие только элементы главных подгрупп. Появившаяся уже в этом тысячелетии информация о свойствах необычных соединений p -элементов подтвердила теоретические прогнозы. Оказалось, что многие из них активируют углеводороды, молекулярный водород и углекислый газ.
Чем плохи переходные металлы?
Казалось бы, зачем разрабатывать новые катализаторы для процессов, которые уже давно отлично ускоряются производными переходных металлов? К тому же и металлоорганическая химия переходных элементов не стоит на месте - все время открываются новые грани реакционной способности d -элементов. Но у благородных переходных металлов есть свои недостатки. В первую очередь цена: самые эффективные катализаторы превращений органических и элементоорганических соединений - это комплексы родия, платины и палладия. Вторая сложность - истощение природных запасов платины и палладия. Наконец еще одна проблема платиновых или палладиевых катализаторов - высокая токсичность. Особенно это актуально при получении лекарств, поскольку их цену существенно повышает стоимость очистки вещества даже от следовых количеств переходных металлов. Переход на новые катализаторы как минимум значительно удешевит лекарственную субстанцию, а возможно, и упростит очистку целевого продукта реакции.
Существуют и дополнительные преимущества, которые может дать применение катализаторов на основе элементов главных подгрупп. Так, не исключено, что некоторые известные реакции пойдут в более мягких условиях, а значит, удастся сэкономить на энергии. Например, еще в 1981 году в своей работе про синтез и свойства первого силена Джонс продемонстрировал, что соединение с двойной связью кремний-кремний может активировать водород при температуре даже меньшей, чем комнатная, тогда как существующие в промышленности процессы гидрирования требуют применения высоких температур.
Один из важных химических процессов, обнаруженных в уже новом тысячелетии, - активация молекулярного водорода с помощью дигермина, германийсодержащего аналога алкинов (Journal of the American Chemical Society , 2005, 127, 12232–12233, doi: 10.1021/ja053247a ). Этот процесс, который может показаться обычным, интересен благодаря двум обстоятельствам. Во-первых, несмотря на аналогию строения алкинов и герминов, водород реагирует с последними не по сценарию, характерному для углеводородов с тройной связью углерод-углерод (водород присоединяется к каждому из атомов тройной связи, и гермин превращается в гермен), а по механизму, типичному для атомов переходных металлов. Этот механизм, в результате которого молекула водорода присоединяется к элементу и образуются две новые связи Э-Н (в описанном случае - Ge-H), называется окислительным присоединением и является ключевой стадией многих каталитических процессов с участием переходных металлов. Во-вторых, хотя Н 2 и может показаться самой простой и незамысловатой молекулой, химическая связь в ней - самая прочная из всех, какие могут возникать между двумя одинаковыми элементами, поэтому разрыв этой связи и, соответственно, активация водорода в процессах каталитического гидрирования - далеко не простая задача с точки зрения химической технологии.
Можно ли сделать акцептор донором?
Чтобы элемент смог вступить в реакцию окислительного присоединения водорода (независимо от того, где он расположен в Периодической таблице), он должен обладать некоторыми особенностями электронного строения. Процесс Э + H 2 = Н-Э-Н пойдет только в том случае, если элемент координационно ненасыщен и его свободная орбиталь может принять электроны молекулярного водорода. Более того, энергия этой свободной орбитали должна быть близка энергии молекулярной орбитали водорода, на которой находятся электроны. Прогресс в области гомогенного металлокомплексного катализа главным образом объясняется тем, что химики, изменяя строение лигандов, связанных с металлом, могут варьировать энергию его орбиталей и таким образом «подстраивать» их под строго определенные вещества, участвующие в реакции. Долгое время считалось, что такая мягкая настройка энергии орбиталей возможна только для d -элементов, однако в последнее десятилетие оказалось, что и для p -элементов тоже. Больше всего надежд исследователи связывают с азотсодержащими комплексами, в которых лиганды, как клешнями, охватывают координационный центр (они и называются хелатирующими лигандами, от лат. chela, клешня), а также со сравнительно новым классом лигандов - N -гетероциклическими карбенами.
Успешный пример применения последних - работа Гая Бертрана из университета Калифорнии в Сан-Диего, в которой эти лиганды стабилизируют атом бора (Science , 2011, 33, 6042, 610–613, doi: 10.1126/science.1207573 ). Обычно производные бора, содержащего всего три электрона на своем внешнем слое, работают как классический акцептор электронов (кислота Льюиса). Дело в том, что до устойчивой восьмиэлектронной оболочки бору необходимо еще пять электронов, поэтому три ковалентные связи он может образовать из трех своих и трех сторонних электронов, а вот еще два электрона приходится заполучать, принимая в свои пустые электронные ячейки чужую электронную пару. Однако N -гетероциклические карбены - такие сильные доноры электронов, что связанный с ними бор перестает быть акцептором - он становится настолько «электроноизбыточным», что превращается из кислоты Льюиса в основание Льюиса. Еще недавно химики даже не могли спрогнозировать такое значительное изменение свойств хорошо знакомого p -элемента. И хотя работа Бертрана пока интересна только с теоретической точки зрения, переход от теории к практике в наше время происходит довольно быстро.
Далеко ли до катализа
Итак, синтезированные в последнее время производные элементов главных подгрупп могут вступать в ключевые реакции, которые катализируют комплексы переходных металлов. К сожалению, даже упомянутое окислительное присоединение молекулярного водорода к атому кремния или бора - всего лишь первый шаг в последовательности реакций, которые нужно разработать для полного каталитического цикла. Например, если речь идет о гидрировании в присутствии соединений главных подгрупп, механизм которого воспроизводит механизм присоединения водорода в присутствии катализатора Уилкинсона, то после взаимодействия с водородом p -элемент должен образовать комплекс с алкеном, затем должны произойти гидридный перенос и образование комплекса... и все остальные стадии, которые в конечном счете приведут к образованию конечного продукта и регенерации каталитически активной частицы. Только тогда одна частица катализатора даст десятки, сотни или даже тысячи молекул целевого продукта. Но для того чтобы такой каталитический цикл заработал, нужно решить еще много задач - связь элемент-водород, образующаяся в результате окислительного присоединения, не должна быть слишком прочной (а то не произойдет гидридный перенос), элемент, присоединивший водород, должен сохранять низкокоординированное состояние для взаимодействия с алкеном и так далее. Стоит упустить какой-то момент, и катализатора из p -элемента не получится, несмотря на сходство его поведения с d -элементами в некоторых процессах.
Может показаться, что переход от металлокомплексного катализа к катализу соединениями элементов главных подгрупп - слишком сложная задача, и она очень далека от выполнения. Тем не менее интерес к химии p -элементов и желание химиков-синтетиков заменить платиновые или палладиевые катализаторы на что-то другое наверняка обеспечат прорыв в этом направлении. Есть шанс, что мы услышим о катализаторах на основе координационно ненасыщенных элементов главных подгрупп уже в течение ближайшего десятилетия.
С момента возникновения нашей планеты прошло около 4,5 миллиардов лет. Сейчас на Земле сохранились только те элементы, которые не распались за это время, то есть смогли «дожить» до сегодняшнего дня - иными словами, время их полураспада дольше, чем возраст Земли. Названия этих элементов мы можем увидеть в Периодической таблице элементов (до урана).
Все элементы тяжелее урана образовались когда-то в процессе ядерного синтеза, но не дожили до наших дней. Потому что уже распались.
Вот поэтому люди вынуждены воспроизводить их заново.
Например: Плутоний. Период его полураспада всего 25 тысяч лет - совсем немного по сравнению с жизнью Земли. Этот элемент, утверждают эксперты, непременно существовал при зарождении планеты, но уже распался. Плутоний производится искусственно десятками тонн и является, как известно, одним из мощных источников энергии.
Что представляет собой процесс искусственного синтеза?
Ученые не в состоянии воссоздать ситуацию условного «сотворения мира» (т.е. необходимое состояние материи при температурах в миллиарды градусов Цельсия) в лабораторных условиях. «Сотворить» элементы в точности так, как это происходило при образовании Солнечной системы и Земли, невозможно. В процессе искусственного синтеза специалисты действуют доступными здесь на Земле средствами, но получают общее представление о том, как могло это происходить тогда и как, возможно, происходит сейчас на далеких звездах.
В общих чертах эксперимент происходит следующим образом. К ядру природного элемента (к примеру, кальция) добавляются нейтроны до тех пор, пока ядро не перестает принимать их. Последний изотоп, перегруженный нейтронами, проживает очень недолго, а произвести следующий не получается вообще. Это и есть критическая точка: предел существования ядер, перегруженных нейтронами.
Как много новых элементов можно создать?
Неизвестно. Вопрос о границе Периодической системы до сих пор открыт.
Кто придумывает название для новых элементов?
Сама процедура признания нового элемента очень сложна. Одним из ключевых требований является то, что открытие должно быть независимо перепроверено, экспериментально подтверждено. Значит, его надо повторить.
Так, например, для официального признания 112-го элемента, который был получен в Германии в 1996 году, понадобилось 14 лет. Церемония «крещения» элемента прошла только в июле 2010 года.
В мире есть несколько наиболее известных лабораторий , сотрудникам которых удалось синтезировать один или даже несколько новых элементов. Это Объединенный институт ядерных исследований в Дубне (Московская область), Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса в Калифорнии (США), Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (США), Европейский Центр по изучению тяжёлых ионов им. Гельмгольца в Дармштадте (Германия) и др.
После того, как Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) признает факт синтеза новых химических элементов, право предлагать для них названия получают их официально признанные первооткрыватели.
При подготовке использованы материалы статей и интервью академика Юрия Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций имени Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне.
Последние дополнения таблицы Менделеева — элементы 113 и 115, пока не имеющие собственных имен
Получение сверхтяжелых элементов 113 и 115 1. Пучок ионов кальция-48 (показан один) разгоняют до высоких скоростей в циклотроне и направляют на мишень из америция-243
2. Атом мишени — америций-243. Ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и окружающее его размытое электронное облако
3. Разогнанный ион кальция-48 и атом мишени (америций-243) непосредственно перед столкновением
4. В момент столкновения рождается новый сверхтяжелый элемент с порядковым номером 115, живущий всего около 0,09 секунды
5. Элемент 115 распадается до элемента 113, живущего уже 1,2 секунды, и далее по цепочке из четырех альфа-распадов, длящейся около 20 секунд
6. Самопроизвольный распад конечного звена цепочки альфа-распадов — элемента 105 (дубния) на два других атома
Ученые из двух ведущих русских и американских ядерных исследовательских центров забросили гонку вооружений и, занявшись наконец делом, создали два новых элемента. Если какие-либо независимые исследователи подтвердят их результаты, новые элементы будут окрещены «унунтриум» и «унунпентиум». Химики и физики всего мира, не обращая внимания на уродливые названия, выражают восторг по поводу этого достижения. Кен Муди, руководитель американской команды, базирующейся в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, заявляет: «Таким образом для периодической таблицы открываются новые перспективы».
Периодическая таблица, на которую ссылается Муди, — это всем знакомый плакат, украшающий стены любого помещения, где могут встретиться больше двух химиков одновременно. Все мы изучали ее на уроках химии в старших классах или на младших курсах ВУЗа. Таблица эта создана для того, чтобы объяснить, почему различные элементы вступают в соединения так, а не иначе. Химические элементы размещены в ней в строгом соответствии с атомным весом и химическими свойствами. Относительное положение того или иного элемента помогает предсказать, в какие отношения он будет вступать с другими элементами. После создания 113-го и 115-го общее число известных науке элементов достигло 116-ти (117-ти, если считать и элемент с порядковым номером 118, синтез которого уже наблюдали в Дубне в 2002 году, но официально это открытие пока не подтверждено. — Редакция «ПМ»).
История создания периодической таблицы началась в 1863 году (впрочем, и раньше делались робкие попытки: в 1817 году И.В. Дёберейнер попробовал объединить элементы в триады, а в 1843-м Л. Гмелин попытался расширить эту классификацию тетрадами и пентадами. — Редакция «ПМ»), когда молодой французский геолог Александр-Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа расположил все известные к тому времени элементы в цепочку в соответствии с их атомным весом. Затем ленточку с этим списком он обернул вокруг цилиндра, и получилось так, что химически аналогичные элементы выстроились столбиками. По сравнению с методом проб и ошибок — единственным исследовательским подходом, которым пользовались тогдашние химики, — этот фокус с ленточкой выглядел радикальным шагом вперед, хотя серьезных практических результатов он не принес.
Примерно в то же самое время молодой английский химик Джон А.Р. Ньюландс точно так же экспериментировал с взаимным расположением элементов. Он отметил, что химические группы повторяются через каждые восемь элементов (подобно нотам, поэтому автор назвал свое открытие «законом октав». — Редакция «ПМ»). Полагая, что впереди великое открытие, он гордо выступил с сообщением перед Британским химическим обществом. Увы! Старшие, наиболее консервативные члены этого общества зарубили эту идею, объявив ее абсурдом, и на долгие годы она была предана забвению. (Не стоит слишком винить консервативных ученых — «закон октав» правильно предсказывал свойства лишь первых семнадцати элементов. — Редакция «ПМ»).
Российское возрождение
В XIX веке обмен научной информацией шел не так активно, как сейчас. Потому и неудивительно, что до возрождения забытой идеи прошло еще пять лет. На этот раз озарение явилось русскому химику Дмитрию Ивановичу Менделееву и его немецкому коллеге Юлиусу Лотару Мейеру. Работая независимо друг от друга, они додумались разместить химические элементы в семь столбцов. Положение каждого элемента задавалось его химическими и физическими свойствами. И вот тут, как это раньше заметили де Шанкуртуа и Ньюландс, элементы самопроизвольно объединились в группы, которые можно было бы назвать «химическими семействами».
Менделееву удалось глубже заглянуть в смысл происходящего. В результате возникла таблица с пустыми клетками, точно показывающими те места, где следует искать еще не открытые элементы. Это озарение выглядит еще более фантастичным, если вспомнить, что в те времена ученые не имели никакого представления о структуре атомов.
В течение следующего столетия периодическая таблица становилась все более и более информативной. Из простой приведенной здесь схемки она разрослась в огромную простыню, включив в себя удельный вес, магнитные свойства, точки плавления и кипения. Сюда же можно добавить сведения о строении электронной оболочки атома, а также список атомных весов изотопов, то есть более тяжелых или легких двойников, которые имеются у многих элементов.
Искусственные элементы
Пожалуй, самая главная новость, которую несли химикам первые варианты периодической таблицы, — это указание, где находятся еще не открытые элементы.
К началу XX века среди физиков стало крепнуть подозрение, что атомы устроены совсем не так, как об этом было принято думать. Начнем хотя бы с того, что это вовсе не монолитные шарики, а скорее — растянутые в пустом пространстве объемные структуры. Чем яснее становились представления о микромире, тем быстрее заполнялись пустые ячейки.
Прямые указания на пробелы в таблице радикально ускорили поиск еще не открытых, но реально присутствующих в природе элементов. А вот когда сформировалась точная теория, адекватно описывающая строение атомного ядра, родился новый подход к «дописыванию» периодической таблицы. Была создана и отработана методика для создания «искусственных» или «синтетических» элементов путем облучения имеющихся металлов потоками высокоэнергетических элементарных частиц.
Если добавить к ядру электрически незаряженные нейтроны, элемент станет тяжелее, но его химическое поведение не изменится. Зато при наращивании атомного веса элементы становятся все более нестабильными и обретают способность к самопроизвольному распаду. Когда это случается, некоторое количество свободных нейтронов и других частиц разлетается в окружающее пространство, однако большая часть протонов, нейтронов и электронов остается на месте и переструктурируется в форму более легких элементов.
Новички в таблице
В нынешнем феврале исследователи из LLNL (Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса) и российского Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), используя вышеописанную методику бомбардировки атомов, получили два абсолютно новых элемента.
Первый из них — элемент 115 — был получен после того, как америций обстреляли радиоактивным изотопом кальция. (Для справки — америций, нечасто встречаемый в быту металл, используется в дымовых датчиках обычной пожарной сигнализации.) В результате бомбардировки образовалось четыре атома 115-го элемента, однако через 90 миллисекунд они распались, и получился еще один новорожденный — элемент 113. Эти четыре атома прожили почти полторы секунды, прежде чем из них образовались более легкие, уже известные науке элементы. Искусственные элементы редко отличаются долгожительством — их врожденная нестабильность является следствием чрезмерного количества протонов и нейтронов в ядрах.
А теперь — касательно их несуразных имен. Несколько лет назад Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) с штаб-квартирой в Research Triangle Park, N.C. постановил, что новым химическим элементам должны присваиваться культурно-нейтральные имена. Такой нейтральности можно достичь, если воспользоваться латинским произношением порядкового номера этого элемента в периодической таблице. Так, цифры 1, 1, 5 будут читаться «ун, ун, пент», а окончание «иум» прибавляется из соображений лингвистической связности. (Нейтральное латинское наименование и соответствующий трехбуквенный символ дается элементу временно — до тех пор, пока Международный союз чистой и прикладной химии не утвердит его окончательное название. Рекомендации этой организации, опубликованные в 2002 году, таковы: авторы открытия имеют приоритет в предложении имени для нового элемента, по традиции элементы могут называться в честь мифологических событий или персонажей (включая небесные тела), минералов, географических регионов, свойств элемента, известных ученых. — Редакция «ПМ»).
Пусть эти новые элементы живут совсем недолго и не встречаются за стенами лабораторий — все равно их создание означает больше, чем просто заполнение пустых ячеек и увеличение общего количества известных науке элементов. «Это открытие позволяет нам расширить применимость фундаментальных принципов химии, — говорит шеф Ливермора Муди, — а новые успехи химии ведут к созданию новых материалов и разработке новых технологий».
