10.08.2024. - Тайны таблицы Менделеева. Самые удивительные элементы

Тайны таблицы Менделеева. Самые удивительные элементы

В мире химии каждый элемент — это не просто строительный блок материи, но и обладатель уникальных свойств. Ученые Пермского Политеха рассказали, сколько «ячеек» появилось в периодической таблице после Менделеева, почему за грамм калифорния нужно отдать 27 миллионов долларов, сколько радиоактивного вещества содержит тело человека и чем это опасно, как серебро позволяет управлять погодой, что за вещество образовалось первым после Большого взрыва и есть ли форма углерода тверже алмаза.

Химик и энциклопедист Дмитрий Менделеев представил знаменитую периодическую таблицу в 1869 году. Накопление информации о свойствах химических элементов, поиск закономерностей для объединения их в периоды (строки) и группы (столбцы)— все это заняло далеко не один год. Согласно популярной легенде, Дмитрий Иванович увидел таблицу во сне после долгих часов упорного поиска решения — но это сновидение, возможно, лишь помогло ему в совершенствовании системы. Современники Менделеева сообщают, что о таблице и истории ее создания он говорил следующее: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово».

«Менделеев самостоятельно внес в таблицу 63 элемента и предсказал еще ряд элементов, часть из которых добавили в таблицу при его жизни. После смерти ученого были открыты металлы лютеций, гафний и рений, а также астат — элемент с самым маленьким процентом содержания в земной коре. Кроме того, сообщают о нахождении в природе технеция, нептуния, прометия, плутония и некоторых других элементов, которые являются радиогенными, — это значит, что они появляются как продукт радиоактивного распада других элементов. Их можно обнаружить, например, в урановых рудах. Сейчас известно 118 элементов, из которых 24 получены в лабораторных условиях», — рассказывает Евгения Гладких, ассистент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.

Каждый элемент соответствует веществу с уникальными свойствами. Ученые ПНИПУ выделили наиболее выдающихся представителей таблицы Менделеева.

Самый дорогой — калифорний-252

«Номер в периодической таблице — 98. Ежегодно добывают всего 40-60 мг калифорния. Причем получают его искусственно: с помощью нейтронного облучения плутония или кюрия в ядерном реакторе. Это длительный процесс, получение элемента занимает более года, и выход его крайне невелик: только 0,3 процента ядер плутония будут преобразованы в калифорний-252», — объясняет химик Пермского Политеха.

Стоимость за один грамм вещества — 27 миллионов долларов. Высокая цена объясняется большими затратами сырья, времени и энергии. Более того, в мире всего два места, где производят калифорний — в Научно-исследовательском институте атомных реакторов в Дмитровограде (Россия) и в лаборатории Ок-Ридж (США). Расходы на калифорний-252 учитывают и его транспортировку — элемент крайне радиоактивен, его перемещение требует повышенной безопасности.

Ценность калифорния кроется в его высоком энергетическом потенциале: микрограмм калифорния испускает 2 миллиона нейтронов в секунду. Поэтому вещество применяется в ядерной энергетике, радиохирургии, геологической разведке. В науке его используют в области ядерных исследований.

Самый «жадный» — фтор

Вещество под номером девять в периодической таблице обладает самой высокой электроотрицательностью. Так называют способность атома в молекуле оттягивать к себе электроны химической связи. То есть фтор активнее прочих ворует отрицательно заряженные частицы у других атомов, присоединяя к себе.

«Как самый сильный окислитель из всех простых веществ фтор может сжечь даже воду и окислить кислород. Он образует соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов: гелия (есть информация, что фторид гелия можно получить в лабораторных условиях, но его молекула будет быстро распадаться) и неона, — сообщает Евгения Гладких.

При определенных условиях фтор взаимодействует почти со всеми веществами, при этом большинство таких реакций протекает с горением и взрывом.

Например, фтористоводородные горелки используются для резки металлов, температура в них достигает +3700 °С. Еще элемент применяется для обработки воды, зубных паст и даже детского молока. В медицине его добавляют в препараты для лечения заболеваний щитовидной железы, диабета, рака, бронхитных инфекций и малярии. Фторуглеводороды служат кровезаменителями. В агрономии — компонент средства для борьбы с грызунами и другими вредителями.

Самый редкий в теле человека — радий

Ранее, в первой половине прошлого века, радий добавляли в косметику. Считали, что микродобавки радия поспособствуют омолаживанию, но это совершенно не так. Радий вредно воздействует на наш организм, поскольку радиоактивен. Он откладывается в костях человека и других тканях, может привести к остеопорозу или появлению опухолей. Кроме того, существенное количество радия может всасываться в желудочно-кишечный тракт.

«Сейчас радий в косметике не используют, но он попадает в организм человека с пищей (чаще всего с пшеницей, картофелем, мясом) и водой, где этот элемент содержится всегда. Обычно его концентрация составляет менее 0,0001 миллиграмма на килограмм массы тела. Наличие вещества в организме человека каждый день может меняться, но практически весь поступивший с пищей и водой радий выводится естественным путем. И, как правило, это не наносит вреда здоровью», — объясняет Александр Юрченко, старший преподаватель кафедры металловедения, термической и лазерной обработки металлов ПНИПУ.

Самый многоликий — углерод

«Этот элемент с атомным номером 6 обладает наибольшим количеством аллотропных модификаций, которые отличаются структурой. То есть углерод может в чистом виде пребывать в виде различных веществ. Например, сажу применяют в качестве интенсивного черного пигмента, а активированный уголь — пористое вещество, которое является адсорбентом и отлично впитывает. С помощью крайне прочных алмазов материалы подвергают механической обработке, сверлению, шлифованию. Уникальные структуры фуллеренов, графена, углеродных нанотрубок отлично подходят для создания сверхпроводников, открывают новые перспективы в развитии нанотехнологий. Они также используются как упрочняющие компоненты для различных композиционных материалов», — сообщает Евгения Гладких.

Ученые отмечают, что карбин, еще одна аллотропная форма углерода, даже прочнее углеродных нанотрубок и тверже алмаза. Предполагается, что его бездефектные нитевидные кристаллы, получаемые в искусственных условиях, найдут широкое применение в оптике, электронике и медицине.

Самый лучший проводник тока — серебро

Серебро (атомное число — 47) обладает наименьшим удельным сопротивлением, или, другими словами, отлично проводит электрический ток. Поэтому вещество активно используют в аккумуляторах, солнечных батареях, выключателях или медицинском оборудовании.

«Необычное применение элемента — управление погодой. Соединение йода и серебра используют для ускорения образования осадков. Когда йодистое серебро попадает в облако, его частицы превращаются во множество кристаллических частиц. На их поверхности быстрее оседает водяной пар. Набрав необходимую массу, они устремляются к земле в виде снега или дождя», — рассказывает Александр Юрченко.

Еще одно примечательное свойство серебра — оно отражает до 97 процентов видимого света. Поэтому раньше его использовали для изготовления зеркал. Первые упоминания о серебряных изделиях появились еще до нашей эры. Активное использование вещества в зеркалах началось только в 19 веке в Германии. До этого их делали из меди, стали, олова, латуни.

Самый ядовитый — таллий

Его объем в природе крайне невелик: в небольших количествах таллий может быть обнаружен в рудном минерале пирите, калиевых минералах. Известно, что содержание элемента в земной коре менее 5•10-5 процента, в морской воде — еще меньше, около миллиардной доли процента.

Таллий (в периодической таблице под номером 81) может быть применен в качестве компонента теплоносителя для низкотемпературных термометров, его соединения используют в инфракрасной оптике, минералогии, органическом синтезе. Один из изотопов таллия применяют для кардиологических исследований.

«О том, что таллий крайне опасен для человека, известно достаточно давно. Всего 600 миллиграммов являются смертельной дозой. Его наличие в питьевой воде и пищевых продуктах строго регламентируется. Однако нет информации о случаях отравления таллием в быту, в результате контакта с загрязненными почвами, водоемами или даже при возникновении чрезвычайной ситуации на производстве. Когда-то соединения таллия использовали как отраву для грызунов, но и эти времена давно прошли. Так что опасаться не стоит, но о симптомах знать желательно. Одним из характерных признаков отравления таллием является алопеция — выпадение волос», — отмечает Евгения Гладких.

Самый древний — водород

«Согласно современным представлениям о происхождении химических элементов, сразу после Большого взрыва элементарные частицы (такие как протон, нейтрон и электрон) обладали слишком большой кинетической энергией, чтобы образовывать ядра и атомы. Но, расширяясь, Вселенная остывала, и частицы начали притягиваться друг к другу. Сильные взаимодействия привели к образованию ядер, а слабые электромагнитные – атомов. Предполагается, что в первые часы после рождения Вселенной появилось большое количество водорода, значительно меньше гелия и, возможно, немного лития. Именно водород считается самым «древним» и распространенным, это объясняется строением его атома: в состав протия, самого легкого изотопа водорода, входят всего один протон и один электрон», — объясняет Евгения Гладких.

Водород все еще является самым распространенным элементом во Вселенной, и именно он является исходным веществом для важнейших ядерных реакций в звездах. Ядерные реакции — основной источник энергии звезд, причина их светимости. И именно в звездных ядерных реакциях образуется большая часть химических элементов, существующих в природе.

Как новые элементы добавляются к таблице?

Бесценный вклад в открытие самых новых элементов внесла российская лаборатория под руководством академика РАН Юрия Оганесяна. Учеными были получены элементы со 113-го по 118-й: нихоний, флеровий, московий, ливерморий, теннессин, оганесон. В таблице Менделеева уже есть восьмой период, но элементы в нем — с 119 по 126 — пока являются лишь гипотетическими. По словам Оганесяна, в Дубне (наукограде Московской области) уже взят курс на их получение.

Есть ли предел у периодической таблицы?

Это зависит от того, насколько стабильны будут получаемые элементы. Стабильность — это способность ядра сохранять свою структуру без распада на более легкие элементы. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, и их устойчивое состояние зависит от соотношения этих частиц, а также от силы ядерных взаимодействий.

У искусственно полученных элементов с увеличением числа нейтронов (которому соответствует номер элемента в таблице) возрастает стабильность. То есть в теории элементы, например, после 120-го номера будут дольше сохранять ядро в «собранном» состоянии и не распадаться.

Почему так важна стабильность?

Верификацией новых элементов занимается Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC). Чтобы элемент был добавлен в таблицу, необходимо получить его повторно. Химики Союза смогут засвидетельствовать его существование, только если элемент удастся наблюдать в хоть немного стабильном состоянии. Но чем «новее» элемент, тем быстрее распадаются его ядра — порой за миллисекунды и даже микросекунды. Потому процедура подтверждения занимает много времени — от трех лет. А право назвать элемент IUPAC предоставляет первооткрывателям.

«Например, флеровий (атомный номер 114) был впервые получен физиками под руководством Оганесяна в конце 1998 года, а IUPAC признал существование элемента только в 2011 году. И все время — от первой удачной попытки синтеза до признания — кипит работа, подтверждается возможность получения элемента. Занимается этим международная коллаборация ученых, а не одна независимая лаборатория», — объясняет химик Пермского Политеха.

Источник