Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

Образцов Петр Алексеевич

Очень интересно, как в ОИЯИ появился искусственный элемент берклий, ведь в Дубне его не получали. Дело в том, что период полураспада нужного изотопа составляет всего 320 дней, поэтому из-за такого короткого времени жизни наработку берклия в нужном количестве (20–30 миллиграммов) надо вести в реакторе с очень высокой плотностью потока нейтронов, а такой реактор есть только в Национальной лаборатории США в Оук-Ридже (кстати, именно здесь был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы). Поскольку с момента производства берклия его количество убывает вдвое через 320 дней, при доставке элемента в Дубну необходимо было все делать очень быстро: быстро пройти американские и российские формальности, связанные с сертификацией необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности и так далее. Достойно приключенческой повести!

В конце концов в начале июня 2009 года контейнер прибыл в Москву. Дубнинские умельцы изготовили мишень в виде тончайшего слоя берклия,

нанесенного на титановую фольгу. Уже при первом облучении мишени детекторы пять раз зарегистрировали картину образования и распада ядер 117-го элемента. Как и ожидалось, ядра этого элемента трансформировались в ядра 115-го элемента, который в свою очередь превращался в 113-й, а тот переходил в 111-й. А 111-й элемент распадался с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе это огромное время!

Никакого практического значения получение этого элемента, конечно, не имеет, однако представления о нашем мире теперь должны сильно измениться. Ведь если будут синтезированы элементы с огромным периодом полураспада, то не исключено, что они существуют и в природе. Эксперименты по их поиску уже ведутся, в глубине Альпийских гор стоит специальная установка по регистрации таких элементов.

Как элемент назовешь, так он и заживет

Кстати, а как вообще у элементов появились названия? Прежде всего напомним, что химический элемент — это отдельный вид атомов с определенным зарядом ядра. Номер элемента в Таблице Менделеева — это и есть заряд ядра. Несколько элементов известны с глубокой древности и тогда же получили свои названия, как правило, связанные с внешним видом или каким-либо физическим свойством. Например, «золото» и «ртуть» происходят от индоевропейских корней, означающих соответственно «желтый» и «бежать»: золото — металл желтого цвета, а капли пролитой ртути действительно так разбегаются во все стороны, что собрать их довольно трудно. Другие элементы, такие как серебро и железо, медь и сера, углерод и цинк, были известны еще в Древнем Египте.

В Средние века алхимики открыли мышьяк, висмут и фосфор (последний — из человеческой мочи). Алхимик Бранд выделил не тот красный фосфор, который содержится в намазке спичечной коробки, а фосфор белый, который окисляется на воздухе и светится. Вот почему этот элемент и назвали «фосфор» — от греческого «светоносец».

В XVIII и XIX веках химики открыли множество элементов. Их называли в честь планет Солнечной системы (уран, плутоний) или мифологических героев (торий — от скандинавского бога грома Тора), по внешнему виду (хлор — от греческого «зеленый») или по имени родины первооткрывателя (рутений — от латинского «Рутения», то есть Россия). Все эти элементы существуют в природе. Любопытно, что многие из них названы в честь государств или географических названий — тот же рутений, германий, франций, европий, америций, полоний, дубний, галлий, скандий (в честь Скандинавии). И только в одном случае вышло наоборот: Аргентина получила свое имя в честь серебра (от латинского argentum), да и то по ошибке. Испанские конкистадоры были уверены, что в этой части Южной Америки огромные залежи серебра, но надежды их не оправдались. Да и с какой стати испанцы решили, что эти залежи здесь должны быть, — совершенно непонятно. Приводятся какие-то легенды, неразборчивые предания неграмотных аборигенов, но истины сейчас уже не найти.

Забавно происхождение названия другого элемента — платины, которое также связано с элементом серебро. С платиной конкистадорам как раз повезло: они нашли и месторождения этого самородного металла, и некоторое количество платиновых изделий, созданных индейцами на территории будущей Колумбии. Однако своего везения испанцы не поняли и пренебрежительно назвали этот похожий на серебро, но очень тугоплавкий металл серебришком от испанского названия серебра — plata. Платина плавится при гораздо более высокой температуре, чем серебро, поэтому металл казался малоперспективным для использования в ювелирном или монетном деле и оценивался в два раза дешевле самого серебра. Сейчас благородный металл платина стоит заметно дороже золота и в 50 (!) раз дороже серебра. В России платину обнаружили на Урале и вначале использовали для производства ружейной дроби. Нетрудно догадаться, что выстрел из дробовика с платиновой дробью стоит во множество раз больше, чем подстреленная утка или глухарь.

В первой трети и середине XX века получили свои названия радиоактивные элементы, которые быстро распадаются, в природе не существуют и могут быть получены только искусственным путем. Хотя традиция использовать географические названия сохранилась (америций, берклий, калифорний, наш дубний, как уже упоминалось, в честь Дубны), новым элементам стали давать названия преимущественно в честь великих ученых. Так в нижней строчке Таблицы Менделеева появились фермий и эйнштейний, кюрий и резерфордий, нобелий и менделевий. Раньше и правильнее у нас элемент называли «менделеевий», но постепенно смирились с англоязычным наименованием, тем более что и открыли, и назвали этот элемент № 101 американцы.

Кстати, с теми же американцами связана и история двойного наименования элемента ниобия № 41. Этот элемент был выделен из минерала колумбита в 1801 году. Его первооткрыватель англичанин Ч. Хатчет назвал элемент «колумбием». Сам минерал был обнаружен в канадской части бассейна реки Колумбия, а англичанин оказался

в Канаде просто потому, что в те годы эта огромная часть Североамериканского континента принадлежала Великобритании. Однако в 1844 году немецкий химик Генрих Розе, не имея на то никаких прав, взял да и переименовал колумбий в ниобий в честь Ниобы, дочери героя древнегреческого мифа Тантала. Некоторые основания для такого переименования были, а именно большое сходство химических свойств этих двух элементов, находящихся в одной и той же V группе Таблицы Менделеева, причем ниобий стоит прямо над танталом. Однако ни англичане, ни солидаризировавшиеся с ними американцы (река Колумбия протекает в основном по территории США) не согласились с этим переименованием и упрямо помещали в клетку № 41 значок Cb. И сейчас можно встретить колумбий в американской химической литературе, несмотря на принятое в 1950 году решение ИЮПАК об использовании исключительно названия «ниобий». Похожая история произошла и с вольфрамом. Этот элемент был впервые выделен из минерала вольфрамита, который часто сопутствует оловянным рудам и мешает выплавке олова, переводя олово в шлаковую пену. За это он и был назван «волчьей пеной» — wolf rahm по-немецки. Однако в Великобритании, США и Франции этот элемент и самый тугоплавкий металл называют не вольфрамом, а тунгстеном. Путаница происходит оттого, что вольфрам-тунгстен почти одновременно открыли два испанских химика и великий швед Карл Вильгельм Шееле. Испанцы присвоили элементу № 74 имя вольфрам, а Шееле — тунгстен по аналогичному названию минерала тунгстена, из которого он этот металл выделил. Тот же ИЮПАК требует использовать только символ W и название «вольфрам», но эта организация не в состоянии запретить химикам использовать название «тунгстен» и символ Tu.

Примером правильного использования символа и устаревшего названия являются элементы натрий и калий, который по-английски называются «содиум» от натриевой соды и «потассиум» от калиевого поташа. Но пишутся Na и K. При переводе на русский язык этикеток моющих средств, которые часто содержат соединения натрия и калия (например, лаурилсульфат натрия — поверхностно-активное вещество), иногда ошибаются и появляется загадочное образование лаурилсульфат содиума.

Уран, нептуний, плутоний были названы в честь планет Солнечной системы, но открыты или получены они были в земных лабораториях. И лишь один элемент вначале обнаружили на другом небесном теле, а именно на Солнце, — этот элемент назвали гелий, в честь древнегреческого бога Солнца Гелиоса. Открыли гелий так: в солнечном спектре увидели его линию вблизи желтой линии натрия. В 1871 году было сделано предположение, что эта линия соответствует новому элементу, и лишь через 27 лет гелий был выделен великим химиком Рамзаем из уранового минерала клевеита. А в 1906 году выяснилось, откуда в минерале, то есть попросту куске камня, взялся газ. Еще более великий Резерфорд выяснил, что при радиоактивном распаде урана испускаются альфа-частицы, которые как раз и представляют собой ядра атомов гелия. При этом гелий является одновременно и вторым по распространенности элементом во Вселенной (после водорода), и вторым по легкости химическим элементом (тоже после водорода). И наконец, благородные гелий и неон — единственные химические элементы, которые не удалось заставить вступить в реакцию с какими-либо другими веществами или элементами. Остальные благородные газы — аргон, криптон, ксенон и радон — уже сдались и свой аристократизм утеряли (об этом см. в главе 15). Принципиальная негорючесть гелия сделала этот газ идеальным для наполнения воздушных шаров и дирижаблей вместо крайне опасного водорода. Единственный недостаток — гелий заметно дороже водорода.

На Земле больше всего изотопа с двумя нейтронами — гелия-4, а легкого стабильного изотопа гелия-3 намного меньше. На Луне же количество гелия-3, попавшего на наш спутник из солнечного ветра, по оценкам, сотни миллионов тонн. И руководители нашего космического агентства даже заявляли, что этот гелий можно будет собрать, отправить на Землю и здесь провернуть термоядерную реакцию синтеза гелий-3 + дейтерий (в результате этой реакции получается энергия), ведь дейтерия на Земле полно. Всю годовую потребность Земли в энергии может обеспечить всего 100 тонн гелия-3. Однако это лишь прекраснодушные расчеты. Управляемую термоядерную реакцию запустить до сих пор не удалось, хотя физики занимаются этой проблемой уже больше 60 лет, и даже кинофильму «Девять дней одного года», в котором герой Алексея Баталова пытается найти «термояд», уже пятьдесят лет. На юге Франции начато строительство международного экспериментального реактора ИТЭР, но дата запуска все время отодвигается, последняя из называемых дат — 2026 год. Но как планировать на столько лет? Поневоле вспоминаешь знаменитого осла, которого Насреддин обещал шаху научить разговаривать через 15 лет. Насреддин понимал, что за 15 лет кто-нибудь да умрет. Либо шах, либо сам Насреддин. Либо, в конце концов, осел.

К настоящему времени в Таблице разместилось 117 химических элементов с номерами 1-116 и 118, элемент № 117, как уже говорилось, не так давно синтезировали в ОИЯИ в лаборатории академика Юрия Оганесяна. Названы, однако, только элементы до № 112. Как правило, новые элементы, то есть элементы с большим зарядом ядра (номером), получают при слиянии ядер уже известных элементов. Так, уже упоминавшийся элемент № 112 был открыт в результате обстреливания ядрами цинка (номер в Таблице — 30) мишени из свинца (номер 82). Ядра цинка и свинца слились и образовали ядро нового элемента (30 + 82 = 112).