Иридий. Под Нобелевскую премию
За что химики любят свой предмет? Мы сошлись во мнении, что нам нравятся логика и возможность строить аналогии, как это делал, например, Менделеев, предсказывая новые элементы. Так элементы, находящиеся в одной подгруппе, обладают схожими свойствами. Порой их почти не отличить. Иридий не так сильно напоминает осмий, правда открыты они были одновременно, поэтому повторно останавливаться с вашего позволения на этой истории мы не станем.
Используется этот металл достаточно редко. Из него изготавливают долговечные свечи зажигания. Гораздо чаще применяют сплавы с добавлением этого металла: сплавы с вольфрамом и торием используют для изготовления термоэлектрических электрогенераторов. С родием и рением – для изготовления термопар. Интересно, что трубы, которые прокладывают по морскому дну, нередко делают из сплава титана с иридием, ведь он отличается своей устойчивостью к коррозии. Всем хорошо известная уксусная кислота была бы не такой доступной, если бы не соединения иридия, обладающие каталитической активностью. Они ускоряют реакцию окисления уксусного альдегида до уксусной кислоты. Сам иридий тоже используют в качестве катализатора, правда в этом случае уже для ускорения сгорания ракетного топлива.
В 1958 году Рудольф Мессбауэр сделал одно из величайших открытий в физике за XX век: он открыл резонансное испускание и поглощение гамма-лучей без отдачи. В 1961 году за свои труды он был вознагражден Нобелевской премией. А наблюдал он впервые этот эффект, работая с одним из изотопов иридия. Так обсуждаемый нами металл внес весомый вклад в развитие смежной с химией науки – физики.
|
|
|
Платина. Высший класс
Платина известна человеку не так долго, как золото, медь или серебро. Однако ее открыли гораздо раньше всех остальных металлов платиновой подгруппы. В 1557 году этот металл был впервые описан итальянским врачом Скалингером. Платина изначально не была в цене, так как из нее почти ничего не удавалось сделать из-за высокой температуры плавления.
В природе платина встречается чаще всего в свободном состоянии. Так называемая самородная платина содержит до 80 % Pt, около 10 % других металлов подгруппы платины, еще 10 % приходятся чаще всего на железо, золото и медь.
С 60-ых годов прошлого столетия спрос на платину неустанно растет. До начала II Мировой войны около половины добываемой платины уходило на нужды ювелирного дела. На данный момент ситуация сильно отличается: 90 % этого благородного металла используют в науке и промышленности. Из-за высокой химической инертности, устойчивости к высоким температурам из платины делают большой спектр химического оборудования, начиная от лопаток и заканчивая электродами. На химических производствах этим металлом покрывают стенки реакторов изнутри, так как платина не подвержена влиянию агрессивных сред. Иногда реакторы полностью делают из платины, правда, это очень дорогое мероприятие.
|
|
|
Интересно, что эталон килограмма выполнен на 90 % из платины, 10 % приходятся на иридий.
Лантаноиды
Если посмотрим в основную часть таблицы, где находится лантан, имеющий порядковый номер 57, а затем взглянем на следующий за ним элемент гафний под номером 72, то у нас логично возникнет вопрос: «а где же еще 14 элементов?» или «почему нумерация сбилась?» Чтобы ответить на эти вопросы, давайте взглянем под таблицу Менделеева, так сказать, в ее «подвал». Там мы увидим две строчки элементов, которые почему-то находятся не в самой таблице: церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций. И нумерация их от 58 до 71, как раз те самые недостающие элементы.
Эти элементы можно было оставить в самой таблице и не выносить их под нее, но тогда таблица получилась бы очень длинной и ее сложно было бы печатать. Поэтому для удобства их разместили в «подвале» таблицы.
|
|
|
Теперь давайте разберем физический смысл выноса данных элементов под таблицу. Мы уже рассмотрели s, p и d элементы. Мы знаем, что чем дальше от ядра атома находятся электронные оболочки, тем более причудливой формы они становятся. Электроны в атомах всегда занимают устойчивые орбитали, где они обладают минимумом энергии. В случае с лантаноидами то же самое. Так получается, что 58 электрону выгоднее находиться не на d-орбитали, а на f-орбитали. Причем энергетически он находится ниже, чем на 5d-орбитали. Этот 58 электрон и все остальные до 71 включительно располагаются на 4f орбитали, так как находиться там энергетически выгоднее. Отвечать почему, мы не будем, так как придется влезать в дебри квантовой механики.
По своим свойствам лантаноиды очень похожи друг на друга. Это приводит к тому, что в природе они всегда сопутствуют друг другу. А это в свою очередь приводит к тому, что их трудно разделить и получить индивидуальные металлы этих элементов. Все лантаноиды делят на две группы: цериевую и иттриевую. К цериевой группе относятся лантан и все элементы от церия до гадолиния включительно. К иттриевой группе относятся элементы от тербия до лютеция. Внутри этих подгрупп свойства элементов еще более схожи между собой. Деление на данные группы связано с электронными конфигурациями данных элементов и провалами электронов с одного уровня на другой.
|
|
|
Актиноиды
Кроме латаноидов в таблице существует еще одна группа элементов, которые также находятся в этом «подвале» – актиноиды. Как вы уже поняли, они называются в честь родоначальника этого ряда – актиния. В этот ряд входит 14 элементов от тория до лоуренция, плюс сам актиний. Все они радиоактивны.
Актиний, торий, протактиний, уран, нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий. Данная группа элементов интересна тем, что в нее входят все три кита атомной энергетики – торий, уран, плутоний.
Как и в случае с лантаноидами, все элементы ряда актиноидов имеют схожие химические свойства. Это приводит к тому, что разделить их между собой химическими методами крайне тяжело.
Актиний. Отец рода
Молодой химик Дебьерн в 1899 году предложил назвать новый открытый элемент актинием (от греческого «излучение, свет») по аналогии с радием. Правда говоря, здесь существует небольшой парадокс: элемент, названный «излучающим», не мог быть открыт по его излучению. Самый долгоживущий изотоп 227Ac распадается, испуская очень мягкие, малоэнергетичные бета-лучи. Проще говоря, атомы актиния данного сорта превращаются в атомы другого элемента, при этом испуская из себя электроны. Ученые того времени не обладали оборудованием, которое было бы способно зафиксировать такое излучение. Дебьерн открыл новый элемент не по его излучению, а по излучению его дочерних продуктов. По сути дела, он фиксировал излучение изотопа тория, который и является дочерним продуктом деления актиния.
Актиний подобен лантану и имеет схожие химические свойства, так как они имеют одинаковую валентность III, близкие атомные радиусы и почти идентичное строение большинства соединений. Содержание актиния в природе измеряется десятимиллиардной долей процента. Однако его все же удалось получить в элементарном виде, то есть в виде чистого металла.
Оказалось, что актиний – серебристо-белый металл, довольно тяжелый (плотность чуть больше 10 г/см3, для сравнения плотность воды 1 г/см³), при этом весьма химически активный. Температуры плавления и кипения определены теоретически и примерно составляют 1040°С и 3200°С соответственно.
Пока что это все, что известно про данный элемент. И скорее всего, еще не скоро актиний будет хорошо изученным элементом.
Торий. Божественный
Исследуя один редкий минерал в 1815 году, Берцелиус обнаружил новый элемент, который был назван торием в честь всемогущего древнескандинавского божества Тора. Поначалу он не был востребован и имел весьма скромную, но важную область применения – при производстве газокалильных сеток. В конце XIX века было широко распространено газовое освещение, а не электрическое. Австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах изобрел колпачки из оксидов церия и тория, которые увеличивали яркость свечения.
Торий – радиоактивный элемент, и это определило область его применения в XX веке. Например, ученые знают, что скорость распада конкретного элемента постоянна и не зависит от внешних факторов. Поэтому, зная содержание тория и его дочерних элементов в минералах, еще в 1904 году ученые научились определять геологический возраст пород. Первым эту идею высказал Пьер Кюри.
Дочерний продукт распада тория нашел свое применение в производстве светящихся красок, которыми наносили цифры на циферблаты часов. Однако через несколько лет обнаружили, что со временем циферблаты перестают светиться. В 20-х годах прошлого столетия резко увеличилась смертность работниц, которые рисовали цифры этими красками. Патологоанатомы обнаружили, что в костях умерших работниц накапливался изотоп 228Rh. А все из-за того, что все рисовальщицы заостряли концы кисточек губами. За год они проглатывали всего 1,75 грамма краски, но и этого было достаточно.
Попадание же самого тория, а не его продукта деления, в желудок не вызывает отравления. Все потому что в желудке кислая среда, которую создает соляная кислота HCl. В таких условиях соединения тория гидролизуются. А гидроксид тория Th(OH)4 – нерастворимое соединение, которое легко выводится из организма с продуктами жизнедеятельности. Острое отравление может вызвать лишь огромная доза в 100 граммов тория. Обычному человеку никогда с таким столкнуться не удастся.
Протактиний
Существование этого элемента предсказали почти за полвека до его открытия. Он является элементом с двойственными химическими свойствами. В одновалентном состоянии он похож на ниобий и тантал, в других валентных состояниях схож с остальными актиноидами. При этом протактиний – это один из тех элементов, который практически не применяется.
Когда Д.И. Менделеев составлял периодическую таблицу, он оставил пустое место между торием и ураном – двумя самыми тяжелыми элементами, известными на то время. Менделеев предполагал, что этот промежуточный элемент будет иметь химические свойства, схожие со свойствами тантала, поэтому назвал его эка-танталом.
История открытия протактиния тесно связана с историей поиска разных радиоактивных элементов, в особенности она связана с актинием. Протактиний открыли практически одновременно несколько ученых из Германии и Англии. Его обнаружили при переработке минералов урана, точно также как и полоний, радий, актиний. И нашли его во фракции, которая содержала тантал. Недаром Менделеев назвал его эка-танталом. Гленн Сиборг говорил, что протактиний – «один из самых капризных и неуловимых элементов».
В это же время обнаружилась связь протактиния и актиния. Выяснилось, что изотоп протактиния испускает альфа-частицы (ядра атома гелия) и превращается в актиний. Отсюда и появилось название протактиний, которое означает «предшествующий актинию».
В 1921 году в историю науки вошел изотоп 234Pa. При его изучении было открыто явление ядерной изомерии. Это явление состоит в том, что некоторые радиоактивные ядра способны распадаться двояко – с разными периодами полураспада (время, за которое распадется половина атомов, которые у нас были). 234Pa в основном распадается, испуская бета-частицу и период полураспада составляет 1,17 минуты, превращаясь в 234U. Но одно из тысячи ядер протактиния ведет себя иначе. Оно испускает гамма-квант (фотон с большой энергией) и превращается в новое ядро, тоже бета-активное, но с более низким уровнем энергии. Это тоже изотоп 234Pa, но период его полураспада составляет уже 6,7 часа.
Практическое применение протактиния ограничивает его токсичность. Она примерно в 250 миллионов раз превышает токсичность синильной кислоты. К тому же, природные источники протактиния практически бесперспективны. Данный элемент интересен исключительно с точки зрения науки.
Уран. Добро или зло?
1789 год – это первая важная дата в истории урана, когда немецкий химик Мартин Генрих Клапрот из смоляной руды получил золотисто-желтую землю (землями называли оксиды элементов) и восстановил ее до черного металлоподобного вещества. Он посчитал, что это новый химический элемент и назвал его в честь самой далекой из известных на то время планет, открытой восемью годами раньше – ураном.
Целых 50 лет во всем мире считалось, что Клапрот открыл новый химический элемент. Но в 1841 году француз Эжен Пелиго доказал, что это была ошибка. Клапрот получил всего лишь соединение урана UO2, а не чистый металлический уран. А вот Пелиго сумел получить настоящий металлический уран.
Дальше к изучению урана приложил руку сам Д. И. Менделеев в 1874 году, поместив его в свою периодическую таблицу элементов на самое последнее место, после всех известных на то время элементов. До Менделеева считалось, что атомный вес урана 120. Но Дмитрий Иванович обнаружил ошибку в вычислениях и определил, что атомный вес урана в 2 раза больше. В дальнейшем это подтвердилось экспериментально.
Поначалу уран имел совсем иное применение, нежели сейчас. Из него изготавливали краски, стекла, фарфор. Стеклянные и фарфоровые изделия на основе соединений урана можно встретить и сейчас в различных музеях.
В 1896 году Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, и обнаружилось, что уран радиоактивен. С тех пор началось доскональное изучение свойств урана, а также это положило начало поискам новых областей применения этого металла.
В 1939 году была открыта цепная ядерная реакция деления ядер урана. Это очень редкое явления для природных изотопов урана, которое наблюдается в одном из миллиона случаев распада ядер урана. В этом случае ядро урана распадается на два новых ядра примерно равных по массе. Это явление очень заинтересовало военных, так как при этом процессе высвобождалось огромное количество энергии. Учитывая, что во всем мире шла II Мировая война, военные стремились получить тотальное преимущество перед своими противниками, создав оружие невиданной мощности, способное за раз уничтожить огромное количество людей.
Было обнаружено, что при делении ядер урана также образуется несколько новых нейтронов, которые сталкиваются с другими ядрами урана и вызывают их распад. Ученым всего мира стало очевидно, что подобно горению, ядерная реакция может сама себя поддерживать.
Количество ученых, занятых исследованием свойств урана и освоением ядерной реакции, резко возросло, а вот информация о них так же резко сократилась. Все было разом засекречено, и началась гонка вооружений: кто первый освоит и создаст оружие массового поражения на основе процесса деления ядер урана. В настоящее время многое из тех исследований уже широко известно. Но есть такие исследования, о которых до сих пор никто не знает. Если вы хотите увидеть своими глазами химические опыты, проводимые с ураном, то обязательно посмотрите видео на нашем YouTube-канале. Такого еще никто и никогда не показывал во всем мире.
Открытия 30-х годов легли в основу современной ядерной физики и атомной энергетики. Они помогли глубже понять строение атома. С помощью облучения урана потоком нейтронов научились получать другие химические элементы, которые порой были гораздо дороже золота. В некотором смысле уран сыграл роль философского камня, который ранее искали алхимики на протяжении нескольких сотен лет.
Вот таким неожиданным образом никому не нужный уран, не имевший практического применения, за 10-15 лет превратился в стратегическое сырье № 1. Были исследованы все уголки мира в поисках его месторождений.
В тонне гранита содержится примерно 25 граммов урана. Но полная энергия этих 25 граммов эквивалентна теплосодержанию 125 тонн каменного угля. Если собрать весь имеющийся на Земле уран и использовать его энергию деления, то она в миллионы раз больше, чем могут дать вместе взятые другие горючие ископаемые, имеющиеся на нашей планете. Если бы весь имеющийся в земле уран мгновенно распался, то выделившаяся энергия раскалила бы поверхность Земли до нескольких тысяч градусов.
Эпоха гонки за ядерным оружием закончилась в 40-50-ые годы прошлого столетия. Затем уран нашел свое применение в мирной сфере. К этому приложил огромные усилия Игорь Васильевич Курчатов, который считал своим долгом найти мирное применение урану. Под его руководством был создан первый в мире атомный реактор, предназначенный для мирных целей. Так родилась атомная энергетика.
Сейчас есть ряд задач в атомной энергетике, над которыми бьются ученые атомной промышленности. Например, при работе АЭС за время работы тепловыделяющей сборки (ТВС) выгорает не весь уран. Часть урана превращается в другие элементы, которые могут мешать дальнейшему использованию ТВС. Можно провести аналогию с обычной жизнью: представьте, что в вашем телефоне аккумулятор заряжен на 100 %, но вы можете разрядить его только на 5 %. Остальные 95 % вы не можете использовать, так как иначе аккумулятор по какой-то причине разбухнет и сломает телефон. Поэтому старую ТВС заменяют на новую. Однако в старой еще много урана. А в природных источниках, как вы знаете, очень мало. Поэтому остро стоит задача переработки старых ТВС и повторного использования уранового топлива. Когда будет замкнут ядерный топливный цикл, человечество совершит огромный технологический прорыв.
Металлический уран – очень капризный материал. Если его нагреть, то он реагирует со всеми применяемыми в металлургии тугоплавкими материалами. Порошкообразный уран реагирует со всеми составляющими атмосферы даже при комнатной температуре. Это накладывает определенные ограничения на методы работы с ним.
Например, в реакторах на тепловых нейтронах (свободные нейтроны с кинетической энергией близкой к кинетической энергии движения молекул газа при комнатной температуре) в качестве теплоносителя используют воду. При малейшем нарушении герметичности защитной оболочки уран начнет разлагать воду. Выделившийся водород вступит в реакцию с образованием порошка гидрида урана (H3U). Таким образом ТВС разрушится и порошок гидрида урана будет уноситься водой. Картина страшная для любого человека, даже для ученого ядерщика. Чтобы подобного не происходило, чистый уран в виде топлива не применяется. Существуют реакторы, работающие на оксидном топливе (UO2), нитридном топливе (UN), а если требуется металлическое урановое топливо, то его сплавляют с молибденом. Такой сплав устойчив и описанные выше процессы разрушения ТВС не происходят.
Еще в 1904 году Эрнест Резерфорд заметил, что период полураспада урана соизмерим с возрастом Земли. Тогда он предложил определять возраст минералов и возраст земли по соотношению урана и свинца – конечного продукта распада урановых ядер. Этим же методом определялся возраст метеоритов и лунного грунта. Оказалось, что Луна гораздо старше Земли.
Еще один важный факт: ученые установили, что спонтанно могут делиться ядра всех элементов тяжелее тория. Этот процесс определяет границу таблицы Менделеева. Следовательно, определяет химический состав всех объектов во Вселенной.
Нептуний. Планеты-планеты…
В солнечной системе за планетой Уран следует Нептун. В ряду химических элементов за ураном следует нептуний. Это небольшая подсказка, как начать разбираться в астрономии, зная всего лишь химию. Или наоборот.
Получен нептуний был при помощи облучения урановой мишени нейтронами. Получали его в небольших количествах, поэтому изучение химических свойств было затруднено. Стеклодувы изготавливали пробирки и мензурки объемом всего лишь в стотысячную миллилитра. Растворяя в такой пробирке микрограмм нептуния, получали раствор с большой концентрацией (0,1 г/л). Вся аппаратура устанавливалась на предметном столике микроскопа. В таких жестких условиях проводилось изучение химических свойств этого элемента.
Сейчас же научились получать достаточно большое количество изотопа 237Np с периодом полураспада 2,2 миллиона лет, что позволяет проводить исследования в нормальных технических условиях.
Изотоп 237Np является прекрасным материалом для получения 238Pu, который может использоваться в качестве топлива для ядерных космических батарей и других изделий, например кардиостимуляторов. Другие изотопы нептуния сами по себе не играют заметной роли в ядерной энергетике.
Плутоний
С данным элементом связаны как большие надежды, так и большие опасения человечества. Периоды полураспада всех известных изотопов плутония много меньше возраста Вселенной. Отсюда мы можем смело сделать вывод, что те атомы плутония, что образовались во время зарождения Вселенной, не могли дожить до наших дней, как динозавры и мамонты. Однако он все равно содержится в земной коре, так как постоянно образуется в урановых рудах в результате ядерных реакций.
В декабре 1940 года при облучении урана ядрами тяжелого водорода (дейтерия) группа ученых во главе с Сиборгом получили новый элемент. Так как этот элемент в то время был последним в таблице Менделеева, то и назвали его в честь последней планеты солнечной системы – Плутона. Правда сейчас Плутон перестали считать планетой, да и в самой таблице уже 118 элементов, но название плутоний так и осталось.
Получать плутоний возможно только имея на своем вооружении мощную атомную промышленность. А в 40-х годах она только зарождалась. Да и первоочередной ее целью было создание оружия невиданной мощности. Так в США появился Манхэттенский проект, связанный с созданием первых атомных бомб. Его руководителем был военный, а не ученый. Его не интересовал плутоний. Но физики уже тогда понимали, что, синтезировав изотопы плутония с нечетным массовым числом (суммой протонов и нейтронов), от них можно ожидать цепной ядерной реакции. К сожалению для всего мира, плутоний оправдал эти надежды и смог стать «взрывчаткой» для атомной бомбы. А так как данным проектом руководили военные, то все исследования плутония были засекречены и в шифровках его называли «медью».
Созданный для бомбы, плутоний нашел применение в «мирном атоме». 235U изотопа не хватило бы для того, чтобы наладить работу АЭС, созданных в те времена.
При делении 239Pu изотопа выделяется около 200 МэВ. Это в 50 миллионов раз больше, чем выделяется энергии при сгорании одного атома углерода с образованием молекулы углекислого газа. Другими словами, при распаде 1 грамма плутония выделяется столько же энергии, сколько содержится в 4 тоннах хорошего угля.
Так как плутоний настолько энергоемкий, то почему бы не добывать его, скажете вы. Хотя плутоний и содержится в земной коре, но его очень мало. Его в 400 раз меньше, чем радия, а это тоже очень редкий элемент. В природе плутоний удалось обнаружить только после изучения физико-химических свойств его изотопов, искусственно полученных в атомных реакторах.
Плутоний также нашел свое применение в качестве источника энергии в специальных сердечных стимуляторах.
Америций
В 1944 году работа, связанная с получением плутония, завершена. Ученые, работавшие в данном направлении, переключились на другую задачу – получение следующих элементов после плутония. Но эту задачу решали уже не химики. Ею занимались физики-ядерщики, которые синтезировали новые элементы путем сталкивания между собой ядер разных элементов, добиваясь их слияния. Если бы все это происходило в XVII-XVIII веках, то смело можно было бы сказать, что ученые занимаются алхимией, так как получают новые химические элементы из старых.
Здесь стоит отметить, что в дальнейшем все элементы с порядковым номером больше 95 получали физики на ускорителях частиц. И в данной работе шла ожесточенная война между несколькими научными коллективами, кто же первый откроет новый элемент и получит право дать ему название. Естественно, политическая ситуация в мире и холодная война между США и СССР наложили на эту область науки свой отпечаток.
В июле 1944 года плутоний стали бомбардировать ядрами гелия. В итоге получили кюрий – следующий за америцием элемент. Однако здесь важно отметить тот факт, что только при решении задачи по синтезу новых элементов, следующих за плутонием, ученые пришли к выводу, что актиний является аналогом лантана. А значит, и все последующие за актинием элементы являются аналогами соответствующим лантаноидам. С точки зрения этой теории, актиноиды должны иметь ряд схожих свойств и при этом иметь что-то общее с лантаноидами. Отсюда вытекает вывод, что америций – аналог европия.
Как только были поставлены опыты, основанные на данной теории, так сразу же были открыты америций и кюрий. Америций был назван в честь Америки, точно так же, как и его редкоземельный «брат» европий назван в честь Европы.
Получить получили, а вот как разделить америций и кюрий – это была сложная задача. Из-за нее один из химиков предлагал дать им названия пандемониум и делирум, что переводится как ад и бред.
Разделить их все же получилось. Для этого использовали обменную хромотографию – процесс до боли знакомый химикам-технологам. Он основан на процессе ионного обмена. Сначала необходимый ион собирается на ионнообменной смоле, а затем вымывается из него. Это грубо и вкратце. В 1945 году удалось получить всего 10 миллиграммов изотопа 241Am, чего оказалось достаточно для проведения физико-химических исследований данного элемента. Как и предполагалось, америций в основном проявляет валентность равную III. Чуть позднее были получены большие количества данного металла и выяснилось, что он имеет серебристо-белый цвет, кроме того, тягучий и ковкий.
Какого же применение данного элемента? Изотоп 243Am применялся для получения 102, 103 и 105 элементов таблицы Менделеева. Существуют приборы на основе 241Am изотопа для непрерывного измерения толщины стальной и алюминиевой лент.
Кюрий
Как уже было сказано ранее, кюрий был открыт раньше америция, но ученые долго не могли их разделить между собой. Его первооткрыватели, в число которых входили Г. Сиборг, А. Гиорсо, Р. Джеймс и Л. Морган, хотели увековечить в названии этого элемента память о Пьере и Марии Кюри, а также подчеркнуть аналогию актиноидов и лантаноидов. В таблице Менделеева над Кюрием стоит Гадолиний, названный в честь Юхана Гадолина – исследователя редких земель.
Интересно, что грамм изотопа 242Cm каждую секунду излучает 1,2*1013 альфа-частиц, выделяя при этом 120 ватт тепловой энергии. Поэтому он практически всегда раскален. Чтобы работать с ним, от него необходимо непрерывно отводить тепло. Очевидно, что применение этого изотопа стоит искать там, где особо ценятся малый вес и компактность источника энергии. Естественно, это важно в разработках для космических исследований.
Берклий
Берклий был синтезирован в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета в городке Беркли, находящемся вблизи Сан-Франциско. В качестве мишени для облучения альфа-частицами использовали изотоп 241Am. Как вы уже поняли, свое название он получил в честь городка Беркли. Здесь также последовала аналогия в названии с лантаноидом. Аналогом берклия является тербий – элемент, названный в честь небольшого городка Иттербю в Швейцарии.
Если собрать весь берклий, имеющийся в лабораториях всего мира, то наберется не более 0,1 грамма. К тому же он очень дорог из-за своего происхождения. Как минимум получают его в специальных реакторах, а затем проводят сложную химическую переработку для выделения в чистом виде.
Б. Каннингем разработал и использовал тончайшие микрохимические методы исследований, которые пригодились при изучении свойств элемента. Все, чем располагали в те времена экспериментаторы – 0,02 г берклия. На каждый опыт расходовалось не более одной десятой части этого вещества.
Позже ученым все-таки удалось получить больше металла, поэтому им удалось изучить его физико-химические свойства. Первый слиток весил всего 5 граммов. Его получили восстановлением трифторида берклия BkF3.
Калифорний
В 1952 году в США было проведено испытание первой в мире термоядерной бомбы с именем Айви Майк в США на Маршалловых островах. Она была в 700 раз мощнее первой атомной бомбы. Взрыв был такой силы, что остров Элугелаб, находящийся в эпицентре взрыва, просто испарился. На его месте образовался кратер глубиной 50 метров. В результате образовались продукты термоядерного взрыва. Среди них ученые обнаружили изотоп нового элемента. Им был изотоп 254Cf. Новый элемент был назван калифорнием в честь штата, где впервые были получены его атомы.
Этот изотоп удивил ученых, так как основной вид его распада оказался спонтанным делением, то есть атом 254Cf делился на атомы других элементов, примерно равных по массе. До этого такие изотопы у других элементов не встречались. Если у ядер других атомов и встречалось спонтанное деление, то данный вид распада составлял мизерную долю от полного числа актов распада. Например, на несколько миллионов альфа-распадов 238U приходится только один спонтанный распад. Доля всех других изотопов других элементов спонтанное деление – это очень редкое явление. А для 254Cf это оказался основной вид распада. Если измерить удельную мощность данного изотопа, то она гигантская и составляет 10 000 кВт/кг.
Каждый раз получать новые атомы 254Cf в процессе термоядерного взрыва затея очень странная. Да и защитники природы не позволят проводить новые термоядерные взрывы. Поэтому ученые стали искать другие способы получения изотопов данного элемента. Естественно, они его нашли. Они взяли ускоритель частиц – циклотрон, поместили в него мишень из изотопа 242Cm и стали обстреливать ускоренными ядрами атома гелия. Получили всего несколько тысяч атомов.
Далее необходимо было отделить полученный калифорний от кюрия, из которого состояла мишень. Работать надо было крайне аккуратно, так как активность кюрия составляла 1011 распадов в минуту. Руками с таким объектом не поработаешь. Такую активность можно сравнить с активностью нескольких десятков килограмм урана.
Теоретически ученые определили, что период полураспада калифорния составляет около часа. Поэтому необходимо было спешить с процессом отделения калифорния от кюрия. Ведь примерно за 10 часов распадался практически весь полученный калифорний. Разделение провели при помощи ионнообменной хроматографии. Калифорнию, как и всем актиноидам характерна валентность III.
Существует и третий способ получения калифорния. Он образуется в процессе ядерных превращений в специальных ядерных реакторах под действием потока нейтронов. Чтобы получить 1 грамм калифорния в таких реакторах, требуется 10 килограммов 239Pu. Это очень много. В результате образуется изотоп 252Cf, который уже слабо взаимодействует с нейтронами. И его очень тяжело превратить в более тяжелые изотопы. Таким образом калифорний становится «тупиком» по получению более тяжелых элементов. Все методы, которые раньше ученые использовали для получения элементов тяжелее плутония, больше не подходят.
Микрограмм 252Cf дает столько же осколков деления, сколько 1 микрограмм урана, находящийся в ядерном реакторе под потоком нейтронов. Изучать уран и его осколки в таких условиях невозможно. А вот калифорний – можно, так как он не спрятан в ядерном реакторе за толстой бетонной стеной.
В результате спонтанного деления изотопа 252Cf образуется примерно 3,82 нейтрона. Даже в цепной реакции деления урана или плутония образуется меньше нейтронов. Считалось, что это свойство можно применить для создания атомной мини бомбы размером с пулю. Представьте себе снайпера, который при помощи винтовки и таких патронов устраивает ядерный апокалипсис армии своего противника. Но, как было сказано выше, на производство 1 грамма калифорния расходуется 10 килограммов плутония. А это очень много.
Основное применение калифорния – изготовление компактных и мощных источников нейтронов. Например, микрограмм калифорния нанесенный на кончик иглы можно вводить в злокачественную опухоль. Нейтроны будут разрушать область опухоли, прилегающую к кончику иглы, а здоровые ткани останутся невредимыми.
Нейтроны сильно рассеиваются ядрами легких элементов, то есть отражаются в разных направлениях, что можно использовать для определения строения мягких тканей человека.
Также калифорниевые нейтроны подходят для нефтеразведки. Нефть тоже состоит из легких элементов. Это же углеводороды. Нефтяной пласт является отличным нейтронным отражателем.
Эйнштейний
В 1949 году США лишилась монополии на ядерное оружие, так как СССР провел испытания своей атомной бомбы. Отныне на Земле возникло две ядерные сверхдержавы. Немного отступая от темы, отметим, что «члены ядерного клуба» не очень любят, когда кто-то еще пытается разработать свое ядерное оружие и встать наравне с уже существующими сверхдержавами.
Монополия закончилась, поэтому возникло желание снова стать первым в обладании самого мощного оружия на Земле. США и СССР начали разработки по созданию водородной бомбы. Все работы проводились в состоянии абсолютной и строжайшей секретности. Как уже было сказано в рассказе про калифорний, США провели испытание ядерного устройства под названием Айви Майк. Но его сложно было использовать как бомбу, так как он был настолько тяжел, что ни один самолет не мог его поднять. Значит и угрозы он никакой не представлял.
Было посчитано, что через каждый квадратный сантиметр урана, из которого состояла бомба, прошло примерно 8 граммов нейтронов. А это очень много. Чтобы подобное повторить в обычном ядерном реакторе, потребуется около ста лет.
Ученые проводили химические исследования радиоактивных продуктов. Исследовали воздух из ядерного гриба и почву с близлежащих островов. Были переработаны тонны грунта для извлечения из них актиноидов и лантаноидов, так как они имеют схожие свойства. Затем их разделяли методом ионообменной хроматографии. В результате был обнаружен новый элемент, названный эйнштейнием.
Эйнштейн – величайший ученый всех времен. Его знаменитую формулу E = mc2 знают люди, даже далекие от физики. Поэтому новый элемент назвали в честь Эйнштейна – автора закона, лежащего в основе всей ядерной энергетики.
Также, как и калифорний, эйнштейний можно производить в специальных ядерных реакторах. Но вот занимает этот процесс годы, а не доли секунд, как в случае с ядерным взрывом. Правда плюсом является тот факт, что эйнштейний в этом случае не разбросан по площади в тысячи квадратных километров.
В главе про калифорний мы отмечали, что он является «тупиком» при получении более тяжелых элементов теми способами, что применялись на то время. Поэтому ученые стали искать новые и усовершенствовать старые методы по синтезу сверхтяжелых элементов. Перспективным методом оказался метод тяжелых ионов. Если раньше на ускорителях частиц мишени обстреливали легкими ионами типа гелия, то сейчас решили брать что-то потяжелее.
Для синтеза эйнштейния на ускорителе частиц стали облучать мишени из урана и плутония ионами золота, кислорода, углерода и других элементов. Например, в Дубне облучали изотоп 238U ионами золота и получили изотопы 245, 246 и 247 эйнштейния.
Хотя изотопы эйнштейния имеют малое время жизни, они нашли свое применение. Их стали использовать в качестве мишеней для синтеза еще более тяжелых трансурановых элементов. Так, например, из одного из изотопов эйнштейния впервые получили 101 элемент, названный менделевием.
Фермий
Из названия уже понятно, что элемент назван в честь великого физика Энрико Ферми. Как и предыдущие элементы, фермий был открыт совершенно случайно, в продуктах термоядерного взрыва. В первые три года открытие новых элементов было засекречено, так как работы велись по созданию самой мощной бомбы в истории человечества. Но еще до того, как данные об их открытии были рассекречены, фермий был получен на мощном ядерном реакторе в штате Айдахо в США.
Было установлено, что время жизни самого тяжелого изотопа 258Fm составляет всего 380 миллионных долей секунды. Это настолько мало, что сложно вообразить. Также ученые снова столкнулись с небольшим тупиком. Оказалось, что в ядерных взрывах и ядерных реакторах невозможно получить следующие элементы таблицы Менделеева. Встал вопрос: неужели возможно существование только ста элементов? Но ученые нашли выход из сложившейся ситуации при помощи ускорителей частиц.
Как и все актиноиды фермий имеет основную валентность III. И лучше всего изучено химическое поведение фермия в ионообменных колонках (приборы для проведения ионного обмена между раствором и ионнообменной смолой). В живую никто и никогда не видел слиток фермия, так как работы велись только с невесомыми и невидимыми глазом количествами, которые можно было обнаружить только по радиоактивности.
Менделевий
Первые девять трансурановых элементов были получены и исследованы американскими учеными. Менделевий открыли в 1955 году в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета. Данный элемент интересен только тем, что ученым удалось получить элемент, порядковый номер которого больше 100. Почти десять лет такой синтез и метод идентификации нового элемента считались вершиной мастерства в физике и химии.
Глен Сиборг говорил, что новый элемент назван в знак признания заслуг великого русского химика Дмитрия Ивановича Менделеева, который использовал периодический закон для предсказания химических свойств неоткрытых элементов. Именно эти принципы легли в основу открытия большинства трансурановых элементов.
Как известно, в химических реакциях можно получать из одних веществ другие вещества. Но, чтобы из одних элементов получить другие элементы, о чем мечтали алхимики, требуется физика. Если рассмотреть атом, то химики занимаются его электронами, так как благодаря им образуются химические связи. А вот физики лезут в ядро атома.
Самое простое – загнать в ядро нейтрон. Он не имеет электрического заряда, поэтому не встречает сопротивления ни со стороны электронной оболочки, ни со стороны ядра. Конечно, это не совсем простая задача. Попадите-ка такой маленькой частичкой в ядро, размер которого немногим больше.
Добавив в ядро нейтрон, можно получить не только новый изотоп, но и новый элемент, так как такое ядро с добавочным нейтроном может быть неустойчивым и может произойти бета-распад, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон. В таком случае это будет ядро следующего по счету химического элемента. Подробно рассказывать о видах радиоактивных распадов мы не будем. Но вы можете досконально разобраться в них в курсе видео по радиохимии на нашем YouTube-канале.
Получить 101-ый элемент из фермия путем захвата им нейтрона не представлялось возможным. Ведь сначала надо сделать мишень из фермия, а это просто физически невозможно сделать. Фермия было получено очень мало. Поэтому приняли решение синтезировать менделевий из эйнштейния.
Ядра атомов эйнштейния на ускорителе частиц бомбардировали ядрами атомов гелия. Здесь важно понимать, что тяжелые «снаряды» сложнее разогнать, то есть придать им необходимую энергию. Гелий все-таки тяжелее, чем протон или нейтрон. Поэтому и ускорители должны быть большей мощности.
Таким образом был получен изотоп 256Md, период полураспада которого составлял 30 минут. При первом синтезе было получено всего 17 атомов менделевия. Как вы понимаете, изучать химические свойства в таких условиях крайне трудно. Но в 1967 году случилась сенсация, был открыт изотоп 258Md. Сенсация заключалась в том, что его период полураспада равнялся почти двум месяцам. Да и получено было 30 тысяч атомов нового изотопа. А это значит, что и получать проще, и изучать его химические свойства легче.
Как и для всех актиноидов, основная валентность менделевия III. Дальнейшие исследования химических свойств показали, что менделевий – первый трансурановый элемент, для которого известно валентное состояние I.
Нобелий
Открытие этого элемента больше известно не научными разработками, а «политическими» разборками ученого сообщества. Шли 50-ые годы 20-го столетия, и в мире нарастала напряженность между СССР и США. Естественно, это не могло не отразиться на научном мире. К сожалению, наука, подчиненная военным интересам, подвержена политическому влиянию.
Синтез и исследования нобелия можно разделить на два периода. К первому (1956-1959) относятся совместные работы Стокгольма, Москвы и Беркли, ко второму (1963-1966) – работы, проведенные в Дубне.
Для синтеза нобелия применяли метод тяжелых ионов, когда мишень обстреливают ионами элементов тяжелее гелия. Так, например, нобелий можно получить, бомбардируя изотоп 238U ионами неона 22Ne. Предполагалось, что изотопы нового элемента будут иметь очень малое время жизни, поэтому все существующие методы анализов химических свойств, да и вообще методы идентификации нового элемента не подходили. Требовались новые экспрессные, чувствительные и точные методы анализа. Химические методы сравнительно медленные, требовали много времени, что сразу ставило крест на их использовании в исследованиях свойств нобелия.
В 1957 году объединенная американоангло-шведская группа сообщила о получении нового элемента. Они назвали его в честь Альфреда Нобеля. Но данные в их статье были настолько странными, что вызывали сомнения в научном сообществе. Более того, они не предоставили всех сведений об экспериментах, чтобы любая другая лаборатория мира, работающая в данном направлении, могла повторить результат.
В 1963 году в лаборатории ядерных реакций в Дубне был установлен новый мощный циклотрон, и на нем синтезировали 102-ой элемент. Синтез проводился методом, описанным выше. Результаты экспериментов сильно различались с данными о свойствах 102-ого элемента, полученными в 1957-1959-ых годах. Поэтому было принято решение повторить все проведенные ранее эксперименты. Тем более, что за годы, прошедшие с 1959 года ядерная физика шагнула далеко вперед, да и методы исследования стали более совершенными и точными.
Все, что известно о химии 102 элемента, это то, что он имеет степени окисления +2 и +3, а также близок по химическим свойствам к своему аналогу из ряда лантаноидов – иттербию.
Новые полученные данные сравнили со старыми, и стало ясно, что во всех ранних работах по синтезу 102-ого элемента были допущены различные ошибки. Значит, нельзя сказать, что в период 1956-1959 был открыт новый элемент. А право назвать новый открытый элемент принадлежит первооткрывателям – ученым из города Дубна. Они предложили назвать элемент в честь Фредерика Жолио-Кюри – ученого, открывшего искусственную радиоактивность.
Но, если вы посмотрите в таблицу Менделеева, то там название 102-ого элемента обозначено как нобелий.
Лоуренсий
Последний актиноид. Самый труднодоступный. Наименее изученный. Впервые о его получении сообщили в 1961 году в Беркли. Прочитав про синтез всех предыдущих трансурановых элементов, вы, наверное, уже заметили, что не так много лабораторий в мире, где занимаются решением подобных задач. В Беркли в качестве мишени использовали смесь изотопов 250-252Cm, которые облучали изотопами 10-11B. Очередной странный эксперимент, результаты которого нельзя однозначно толковать. Тем более, что химическая идентификация того, что был получен именно новый элемент, не проводилась. Хотя сообщение о том, что был получен новый элемент, было. В Беркли предложили назвать новый элемент лоуренсием – в честь изобретателя циклотрона, американского физика Эрнеста Лоуренса.
Через четыре года в Дубне начали заниматься 103-им элементом. Результаты экспериментов показали, что в Беркли опять что-то «нахимичили», и полученные ими данные не соответствуют действительности. Узнав о сообщениях из Дубны, ученые в Беркли провели ревизию своих работ и пришли к выводу, что действительно «нахимичили» и получили неизвестно что. Поэтому начали новые эксперименты по синтезу 103-го элемента. И в 1971 году опубликовали результаты исследований, которые опровергали данные 1961 года.
Поэтому ученых из Дубны можно считать первооткрывателями 103-го элемента. Они предлагали назвать его в честь Эрнеста Резерфорда – одного из основоположников ядерной физики. Но, если вы посмотрите в таблицу Менделеева, то увидите, что как и в случае с нобелием, название не было изменено.
Радиохимики установили, что устойчивая степень окисления лоуренсия равна +3. Это подтверждает тот факт, что актиноиды являются элементами с очень близкими химическими свойствами.
Заключение
Вот и закончилась периодическая таблица. За время нашего путешествия мы успели побывать в мире самых активных металлов, окунулись в море самых безразличных и самовлюбенных газов, пообщались с самым крупным семейством металлов-тружеников, а также преодолели все опасности и познали всю прелесть радиации и тех, кто ее создает.
Каковы же были цели написания этой книги? Мы ставили перед собой непростую задачу: нужно было рассказать об устройстве всего материального, о тех кирпичах, из которых состоит наша планета и вся вселенная. К тому же, мы старались не уходить в дебри химической науки, избавить читателя от достаточно скучных и сложных вычислений, а вместо этого насытить книгу интересными и подчас реально полезными фактами, а также юмором, ведь ученые тоже люди и любят посмеяться. Это просто замечательно, что природа одновременно настолько сложна, а ее проявления кажутся нам обычными и вполне естественными, простыми…
Мы надеемся, что эта книга для кого-то из читателей станет причиной, по которой он или она выберет профессию химика, ученого или исследователя. Другим же она, вероятно, даст пищу для размышлений о природе вещей. Кого-то эта книга сподвигнет внимательнее слушать учителей естественнонаучного профиля на уроках в школе, что тоже очень важно.
Претендуем ли мы, ученые, на абсолютную правоту своих суждений? Конечно, нет. Например, механика Ньютона очень долгое время считалась верной, пока ее не дополнил или же скорректировал другой великий физик Альберт Эйнштейн. На наш взгляд, наука – это метод познания, который помогает облегчать жизнь человека, делать ее лучше, прогрессивнее, удобнее и технологичнее. Одни теории дополняют другие, третьи или же их вовсе со временем признают неверными. Это постоянный процесс, от масштабов которого захватывает дух.
А вот QR-коды, с помощью которых ты легко найдешь наши аккаунты:
youtube.com/c/ChemistryEasy
vk.com/chemistryeasyru
Примечания
1
Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, ядро которых имеет одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов.
2
Период полураспада – промежуток времени, в течение которого распадается половина ядер радиоактивного изотопа.
[1] Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, ядро которых имеет одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов.
[2] Период полураспада – промежуток времени, в течение которого распадается половина ядер радиоактивного изотопа.
Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 329; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!