Mākslīgie elementi – 1.daļa

Gandrīz pirms diviem gadiem Starptautiskā tīrās un lietišķās ķīmijas savienība, organizācija, kas apvieno ķīmiķus no visas pasaules, paziņoja četru jaunu elementu nosaukumus. Līdz ar to ir noslēgusies nodaļa ķīmijas vēsturē – beidzot ir noslēdzies periodiskās tabulas septītais periods, un kopš tā laika oficiāli ir bijuši 118 ķīmiskie elementi.

Tomēr IUPAC lēmums (

Dzīvesveids

Lai novērtētu radioaktīvo elementu kalpošanas laiku, fiziķi izmanto pussabrukšanas perioda jēdzienu. Šis ir laiks, līdz paliek puse no sākotnējā elementa daudzuma. Tomēr pēc sekundes tikpat daudz laika viss elements nepazudīs, bet puse no sākotnējās summas vai ceturtdaļa paliks. Un tā tālāk. Teorētiski pat pēc bezgala ilga laika saglabāsies kāda daļa no sākotnējā daudzuma, taču praksē tiek pieņemts, ka pēc desmit periodiem radioaktīvo materiālu praktiski vairs nebūs.

Elektrības vadi, gredzens un alumīnijs noteikti var norādīt uz vara, zelta un alumīnija esamību. Kā zināms no skolas laikiem, gaiss satur slāpekli un skābekli. Reaktīvie elementi, piemēram, nātrijs un hlors, veido galda sāli. Arī mums ir šie elementi, un mūsu iztēle liecina, ka kaut kur ķīmisko laboratoriju plauktos ir to paraugi. Ja laboratorijas jēdzienu attiecina uz vietām, kur glabājas arī ļoti radioaktīvi elementi, tad izrādās, ka pēdējā eksistē ir Einšteins, ar kārtas numuru 99. Ar esamību parastā valodā jāsaprot kāda elementa vai tā savienojuma klātbūtne taustāmos daudzumos. Lai to izdarītu, jums ir jābūt vismaz miljonajai daļai grama, pretējā gadījumā neveidosies pat mazākie ķīmiskā savienojuma kristāli (elementa 100 gadījumā - stop – informācija par nepieciešamā daudzuma saņemšanu nav pilnībā apstiprināta).

Curies demonstrē rādija starojumu (Anrē Kasteņa glezna, 1903).

Ar šo problēmu viņai nācās saskarties pagājušā gadsimta sākumā. Rādija un polonija starojums nebija pietiekams, lai tā laika ķīmiķi atpazītu šo elementu esamību - tikai to savienojumu grama daļas izolēšana pārliecināja šaubīgos. Bet nekritizēsim tradicionālistus. Šī pieeja ir ļoti praktiska: parastā laboratorijā ar tik mazu vielas daudzumu, ka to pat nevar redzēt, var izdarīt maz.

"Neesamības" iemesls, protams, ir dažu elementu dzīves ilgums - pārāk īss, lai izdzīvotu līdz šim pēc Zemes veidošanās no kosmiskajiem putekļiem. Supernovas sprādzieni rada pat vissmagākos elementus, kas pēc tam tiek izkliedēti gaismas gadu laikā no eksplodējošās zvaigznes. Labvēlīgos apstākļos drupatas saplūst lielākās kopās, bet tās - planētās. Tomēr 4,5 miljardi gadu noteikti ir pārāk ilgs laiks, lai daži elementi uz mūsu zemeslodes paliktu vērā ņemamā daudzumā (jo smagāki, jo mazāki un īsāks mūža ilgums). Tāpēc, lai tos pakļautu pētījumiem, bija nepieciešams radīt trūkstošos matērijas elementus. Nevis atvērt, jo tās neeksistēja, paslēptas no zinātnieku “stikla un acīm”, bet vienkārši ražot.

Pat vissmagākie elementi veidojas supernovas sprādzienos. Habla attēlā redzams Krabja miglājs Vērša zvaigznājā, 1054. gada supernovas paliekas.

Mammas mati uz Franciju un Astatu?

Ļoti mazs. Tiek lēsts, ka zemes garozā vienā reizē atrodas ne vairāk kā 50 grami franku. Astatīna ir vēl mazāk – par gramu! Abos gadījumos iemesls ir dabisko izotopu ļoti īsais dzīves ilgums un turklāt neefektīvs veidošanās veids - tie veidojas radioaktīvo virkņu sānu zaros ar mazu transformācijas iespējamību. Nav pārsteidzoši, ka neviens vēl nav izolējis šo elementu redzamo daļu, un neizskatās, ka tuvākajā nākotnē būs.

Sadalījums nav tik acīmredzams, kā varētu šķist no pirmā acu uzmetiena. Mēs esam diezgan labi klasificējuši ar rokām darinātus priekšmetus, piemēram, bultskrūves un uzgriežņus. Taču, ieejot dabas valstībā, kur robežas nav asas, rodas problēmas objektu veidā, kurus var klasificēt dažādās grupās.

Tāpat ir ar elementiem. Urāns ir smagākais elements, kura dzīves ilgums ļāvis tam izdzīvot līdz pat mūsdienām (pussabrukšanas periods ir salīdzināms ar mūsu planētas vecumu, tāpēc mums ir palikusi apmēram puse no urāna, kas bija daļa no jaunās Zemes). Par to masīvākus elementus radīja cilvēks (vairāk par to sērijā vēlāk), taču daži no tiem vēlāk tika atklāti kā urāna kodolu sabrukšanas izraisīto transformāciju blakusprodukti.

Māneklis no čehu raktuvēm Sudetos. Urāna rūdas ir daudzu radioaktīvo elementu avots.

Līdzīga situācija rodas ar nestabiliem elementiem, kuru svars ir mazāks par urānu. Dažiem no tiem ir ļoti īss kalpošanas laiks (par franču valoda tas ir tikai 20 minūtes un uz laiku astatu ne vairāk kā sekundes, lai gan mākslīgi iegūta šī elementa izotopa pussabrukšanas periods ir astoņas stundas), un to pastāvēšana dabā ir tikai sekas pastāvīgai trūdoša urāna un torija kodolu piegādei (sk. Radioaktīvās sērijas). Divi elementi, kas atrodas periodiskās tabulas vidū, ir TechNet i satiksmi – neskatoties uz gadu desmitiem ilgajiem ķīmiķu pūliņiem, tie dabā nav atrasti. Tikai pēc to saņemšanas kļuva skaidrs, ka tie ir ļoti retas, spontānas urāna kodolu sadalīšanās produkts un tika identificēti ārkārtīgi mazos daudzumos šī metāla rūdās. 

Turklāt daži mākslīgi radīti elementi ir labāk saprotami nekā sen izveidoti, iesakņojušies elementi. Atsevišķos gadījumos mākslīgo vielu ražošana pārsniedz visu pasaules dabisko dabisko vielu piedāvājumu (skat.: Cik mums ir franku un astatīna?)! Iemesls, protams, ir lietošanā: gadā tiek izmantotas aptuveni 20 tonnas radioaktīvā plutonija, savukārt metāla stroncijs gandrīz nevienam nav vajadzīgs un tā saražotā produkcija sasniedz kilogramus. Pievienosim tam faktu par zemes virsmas piesārņojumu ar atomelektrostaciju un kodolsprādzienu produktiem (pārsvarā kodoli ir vieglāki par urānu) un kodoltermiskajiem (šajā gadījumā tie ir arī smagāki par urānu), un mums būs pilnīgs priekšstats par grūtībām veikt šķietami vienkāršu sadalījumu: dabisks vai mākslīgs elements? 

Kodolieroču izmēģinājumi ir “bagātinājuši” vidi ar daudziem radioaktīviem elementiem.

150. gadsimta lielākais ķīmijas sasniegums bija celtniecība (nākamgad Mendeļejeva darbam “apritēs” XNUMX gadi!). Tās radītāja ģēniju cita starpā atklāja fakts, ka tika atstātas vakances vēl neatklātiem elementiem un prognozējot to īpašības. Tā kā tabulas robi tika aizpildīti (dažas prognozes nepiepildījās), radās jautājums: cik tad īsti ir elementu?

Henrijs Mozelijs (1887-1915) un vairāku elementu rentgenstaru spektra attēli.

Atbildi sniedza jauns angļu fiziķis, jaunāks par 26 gadiem. Henrijs Moslijs, 1913. gadā. Stažēšanās laikā atoma kodola atklājēja laboratorijā, Ernestā Rezerfordāpētīja ierosināto atomu rentgena emisiju. Viņam izdevās savienot emitēto rentgenstaru viļņu garumus ar atomu kodolu lādiņu, un tas katram elementam bija atšķirīgs, veidojot unikāli definējošu iezīmi. Tomēr drīz izcēlās Lielais karš, Mozelejs tika mobilizēts un divus gadus vēlāk krita pie Galipoli. Pētījumi liecina, ka vissmagākā zināmā urāna kodolā ir 92 protoni, kas nozīmē tikpat daudz elementu (vismaz tajā laikā). Tas nozīmēja arī to, ka periodiskajā tabulā trūka septiņu elementu 43., 61., 72., 75., 85., 87. un 91. pozīcijās. Ķīmiķi un fiziķi devās zinātniskās medībās, jo vienkāršāk, jo viņi zināja, kur un ko meklēt. nezināmu elementu atrašanās vieta Periodiskā tabula ļāva noteikt to īpašības un paredzamās atrašanās vietas.

Radioaktīvā urāna un rādija rinda (atomskaitlis apakšā, izotopu masas numurs kreisajā pusē).

Radioaktīvā sērija – divi urāna un viens torija izotopi ar ilgu mūžu sadalās, veidojoties radioaktīviem kodoliem. Tie, savukārt, tiek pakļauti turpmākai sabrukšanai utt. Pēc apmēram desmitiem izmaiņu galu galā veidojas pastāvīgi svina izotopi. Izotopu secība, no kurām viena rodas no otras, ir radioaktīva sērija. Pēc Neptūna iegūšanas izrādījās, ka viens no tā izotopiem arī uzsāka sēriju. Tomēr tā dalībnieku salīdzinoši īsais kalpošanas laiks nozīmēja, ka šis skaitlis pēc būtības bija novecojis, un vienīgā palieka no tā ir sērijas pēdējā - bismuta - klātbūtne.

1923. gadā tas tika atklāts ecēšas (Nr. 72), un divus gadus vēlāk - niere (Nr. 75). Pēdējā atklājēji saskārās ar tādu pašu problēmu kā mūsu tautietis dažus gadus iepriekš. Un arī viņiem bija jāapstrādā liels daudzums rūdas, lai iegūtu redzamus jaunā elementa savienojumu paraugus. Viņi identifikācijai izmantoja Moseley metodi. Viņi arī redzēja frekvences spektrā, kas norādīja uz citu elementu no tās pašas grupas, numuru 43, taču viņu novērojumi neapstiprinājās. TechNet, jo runa ir par to, pirmais no elementiem iegūts mākslīgi (latīņu = mākslīgs), 1937. gadā molibdēna (Nr. 42) bombardēšanas rezultātā ar ūdeņraža izotopa (Nr. 1) kodoliem. Šis elements ir radioaktīvs, lai gan tā ilgs kalpošanas laiks ļauj to izmantot. Vēlāk tika atklāts, ka tehnēcijs dabiski rodas urāna kodolu spontānas sabrukšanas rezultātā.

Radiācijas avota marķēšana. Konteineriem ar šo zīmi labāk netuvoties!

Pētījuma laikā tika atklāti dabiski radioaktīvie masīvi protaktīns (Nr. 91) i Francijas (Nr. 87). Tomēr 85. elements vispirms tika iegūts mākslīgi, bombardējot bismuta mērķi (Nr. 83) ar alfa daļiņām (hēlija kodoliem, kas satur divus protonus un divus neitronus). Tā ļoti īsā pussabrukšanas perioda dēļ jaunais elements tika nosaukts Valsts (gr. = nestabils). Zināšanas par tā ķīmiskajām īpašībām ļāva pēc dažiem gadiem atklāt astatīnu urāna un torija rūdās, kur tas parādās kā viens no to sabrukšanas produktiem.

Pēdējais no pazudušajiem - satiksmiar 61 protonu kodolā - identificēts 1945. gadā, izpētot izlietotās urāna degvielas atliekas reaktorā. Elementa nosaukums cēlies no mītiskā Prometeja, kurš, tāpat kā savulaik olimpiskā uguns, atnesa cilvēcei jaunu enerģijas avotu. Šis elements nelielā daudzumā atrodas arī urāna rūdās.