Тайны таблицы Менделеева

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.

Как формировалась таблица Менделеева?

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% ядер плутония будут преобразованы в калифорний-252, — объясняет ученый-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» химический элемент — фтор

Вещество под номером 9 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 элемент в теле человека — радий

Ранее, в первой половине 20 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 химический элемент — 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% 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 и др.

Самый ядовитый элемент — 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%, 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 мг 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 элемент — 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 ученый-химик Пермского Политеха.