Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

Аркадий Курамшин, 2019

Какой химический элемент назван в честь гоблинов? Сколько раз был «открыт» технеций? Что такое «трансфермиевые войны»? Почему когда-то даже ученые мужи путали марганец с магнием и свинец с молибденом? Что будет, если съесть половину микрограмма теллура? Есть ли в наших квартирах и офисах источники радиации? Ответы на эти и другие вопросы можно найти в новой книге Аркадия Курамшина «Элементы: замечательный сон профессора Менделеева». Истории открытия, появления названия, самые интересные свойства и самые неожиданные области применения ста восемнадцати кирпичиков мироздания – от водорода, ключевого элемента нашей Вселенной, до сверхтяжёлых элементов, полученных в количестве нескольких атомов. И тот, кто уже давно знает и любит химию, и тот, кто ещё только хочет сделать первые шаги в ней, найдут в книге что-то интересное и полезное для себя. В формате PDF A4 сохранен издательский дизайн.

2. Гелий

С гелием, по крайней мере с шариками, наполненными гелием, знакомы практически все. Правда всякий раз, когда я вижу, как на мероприятиях или праздниках пускают в небо шары, надутые гелием, я чувствую себя слегка опечаленным. Это происходит не из-за того, что я не люблю веселиться (веселиться я даже очень люблю) и даже не из-за того, что меня волнует судьба оболочки шара. Когда-нибудь гелий «сдуется», оболочка упадёт и пополнит и без того немалое количество полимерного мусора, накапливающегося в окружающей среде (хотя, людям, запускающим шарики в небеса, стоило бы задумываться и об этом).

Когда я вижу летящие шарики, надутые гелием, меня, как химика, заботит то, что с ними мы практически навсегда теряем ценный ресурс — гелий. Вероятно, корни чувств, которые я испытываю при этом лежат в прошлом — в 1992–1995 году в аспирантуре я с помощью газожидкостной хроматографии изучал кинетику реакций, газом-носителем для хроматографа был гелий. Когда баллоны с гелием заканчивались, работа прекращалась на длительный срок до появления средств на новую порцию гелия — с тех пор я привык бережно относиться к этому инертному газу.

Гелий второй по распространенности элемент во Вселенной, но здесь, на Земле он редкий гость. Многие предполагают, что гелий получают переработкой воздуха, но на самом деле этот инертный газ добывают из пробуренных в земле скважин. Гелий в следовых количествах входит в состав природного газа, в некоторых месторождениях его больше, в некоторых меньше, но в любом случае гелий добывают из природного газа с помощью низкотемпературной фракционной перегонки (разделения при низкой температуре). Возникает вопрос — как же гелий мог оказаться под землей и смешаться с природным газом. Ответ в том, что в отличие практически от всех остальных химических элементов Периодической системы, которые мы можем найти в земной коре, гелий на Земле появился много позже образования нашей планеты.

Гелий образуется в ходе естественного радиоактивного распада таких элементов, как уран и торий. Эти тяжёлые элементы образовались до формирования земной коры, их ядра не стабильны, и очень медленно распадаются. Оба изотопа урана — уран-235 и уран-238 подвергаются α-распаду — при самопроизвольном разрушении их ядер выделяется α-частица, которая представляет ничто иное, как ядро атома гелия. Сам атом гелия рождается после того, как ядро захватывает электроны.

Распад изотопов урана протекает исключительно медленно, период полураспада (время, за которое распадается половина радиоактивных атомов) для урана-238 составляет 4,4 миллиарда лет, а для урана-235 — 0,7 миллиардов лет. Геологический возраст Земли составляет 4,54 миллиарда лет, и можно сказать, что гелий непрерывно образуется в земной коре с момента образования нашей планеты. Большая часть гелия просачивается через поры земной коры в атмосферу, медленно покидая ее, но, к счастью, часть гелия в подземных резервуарах смешивается с природным газом и может быть выделена из него.

В космосе все совсем иначе. Солнце состоит на 73,5 % из водорода, 24,9 % из гелия, оставшаяся масса приходится на более тяжёлые элементы. Солнце, как и другие звезды, представляют собой естественные термоядерные реакторы, в которых при высоких температурах протоны, представляющие собой ядра водорода, сливаются с образованием гелия. В результате слияния более легких ядер и образования более тяжелых элементов выделяется огромное количество энергии, и этот способ ее получения, как упоминалось в предыдущей главе, хотят воспроизвести на Земле.

Раз уж гелий составляет почти четверть от массы Солнца, неудивительно, что его удалось обнаружить на Солнце полтора века назад. Скорее, более удивительно то, что на Земле его смогли найти только через четверть века после того, как его нашли в космосе.

С конца восемнадцатого века, с появлением такого сильного окислителя, как хлорат калия (бертолетова соль) стало понятно, что некоторые химические элементы могут окрашивать пламя в определенные цвета. Это открытие позволило создать и пиротехнические составы, в которых, например, зеленый цвет создается солями бария или бора, а красный — лития или стронция. Помимо создания индустрии красочных фейерверков окраска элементами пламени позволила научиться идентифицировать элементы по цвету, в который они окрашивают пламя, позже — в результате совместной работы Бунзена и Кирхгоффа появился прибор под названием спектроскоп, в котором цвет, создаваемый элементом в пламени, с помощью призмы (сейчас — с помощью дифракционной решетки) расщеплялся на спектр — совокупность тонких и чётких окрашенных линий. Набор таких линий оказался строго индивидуальным для каждого элемента, как отпечатки пальцев индивидуальны для человека. С той поры идентификацию известных и открытие новых элементов стали проводить уже не просто по цвету, а по набору его спектральных линий (с помощью спектроскопа Бунзен и Кирхгоф смогли открыть такие элементы, как рубидий и цезий).

В какой-то момент ученые решили, что спектроскоп может пригодиться не только на Земле и попробовали использовать этот прибор для изучения химического состава Солнца. Такой подход позволил обнаружить на Солнце натрий, магний, кальций и железо. В 1868 году независимо друг от друга француз Пьер Жансен англичанин Норман Локьер, независимо друг от друга обнаружили в солнечном спектре чёткие линии, которые не соответствовали ни одному из известных в то время металлов (в том, что это был именно металл, ни у Жансена, ни у Локьера сомнений не было). Локьер предложил для этого «металла» название «гелий» в честь древнегреческого бога Солнца — Гелиоса. В течение двух десятков лет гелий так и не был обнаружен на Земле, и Локьер стал становиться мишенью для насмешек. Однако в 1895 году Уильям Рамзай обнаружил гелий в газе, полученном при обработке кислотой урансодержащего минерала клевеита. В спектре газа была обнаружена та же ярко-жёлтая линия, которую Жансен и Локьер наблюдали в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования английскому учёному-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D₃ гелия, обнаруженного на Солнце. Гелий, образующийся при радиоактивном распаде, поглощался горной породой, и при растворении породы в кислоте высвобождался. Итак, элемент, окрещённый Локьером, был обнаружен на Земле, но оказался не металлом, а крайне инертным газом. И в наши дни, когда элементов в Периодической системе больше, чем во времена Локьера и Рамзая, гелий остается единственным инертным газом, чьё латинское название оканчивается суффиксом «-ium», применяющимся обычно в названиях элементов-металлов.

Уникальные химические свойства — малая плотность и химическая инертность, позволяет применять гелий не только для заполнения шаров для развлечения и метеорологических зондов. Так, смесь гелия с кислородом может применяться для лечения новорожденных с проблемами дыхания или в качестве дыхательной смеси для аквалангистов, опускающихся на значительную глубину, подъем с которой при дыхании воздухом может привести к вскипанию пузырьков азота в крови — кессонной болезни. У гелия самая низкая температура кипения из всех веществ, она составляет — 269 °C. Это свойство обуславливает применение гелия в системе охлаждения магнитов ядерных магнитных спектрометров и аппаратов МРТ в больницах.

Чаще всего там, где гелий применяется, его улавливают и используют повторно. Если такого не происходит, он попадает в атмосферу, но не накапливается в ней. Гелий настолько лёгок, что он не удерживается полем тяготения Земли, и, попадая, в верхние слои атмосферы, покидает нашу планету навсегда — это и есть судьба гелия, которым заполняют летающие шары, его наша планета теряет навсегда. Не исключено, что через сотню лет наши потомки будут отказываться верить в то, что мы добровольно потеряли столько гелия просто ради развлечения.