Новая химия. Периодическая таблица элементов в XXI веке

В свое время Дмитрий Иванович Менделеев создал периодический закон, выраженный в форме таблицы химических элементов. На момент обнародования в 1869 году она включала 67 заполненных ячеек. Современная форма таблицы химических элементов значительно отличается от первоначального варианта, содержит 118 элементов и быстро прирастает тяжелыми быстрораспадающимися элементами. Они синтезируются учеными начиная с 1940-1941 годов (синтез первых искусственных элементов нептуния и плутония). Сегодня по-прежнему продолжаются эксперименты на стыке ядерной физики и химии по созданию трансурановых элементов. Этими проблемами занимаются крупнейшие научные центры России (Дубна), США, Германии, Японии и Франции.

На стыке ХХ-ХХI веков и по настоящее время в таблице Менделеева появились так называемые экзотические тяжелые элементы – унунквадий (1998 год), унунгексий (2000), унуноктий (2002), унунтрий и унунпентий (2003), унунсептий (2010), в настоящее время ведется разработка унуненния.Трансактиноиды из ряда трансурановых элементов имеют период полураспада значительно меньший, чем возраст Земли, поэтому они отсутствуют в природе (самый тяжелый элемент, встречающийся в природе, – уран с n=92) и получаются искусственно посредством ядерных реакций слияния кальция-48 с актиноидными мишенями (см. таблицу). Эти элементы должны быть токсичны для живых организмов из-за радиоактивности. До сих пор элементы 113-118 не имеют названий – только временные, производные от соответствующих латинских числительных: например, унунтрий в переводе означает «один-один-третий», а унуноктий – «один-один-восьмой». Процесс наименования элемента долгий, ведь для фиксации открытия необходимо подтверждение синтеза ядер элемента независимой научной группой. И только потом начинается работа Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) по присвоению названия. Для 115-го элемента предложено название ланжевий, для 116-го элемента – флеровий, для 118-го элемента – московий… А пока официальная версия периодической таблицы элементов (выпущенная IUPAC в июне 2007 года) содержит по 111-й элемент включительно.В теории существует возможность расширения периодической таблицы до 180 элементов. Но возникает вопрос: для чего проводить весьма дорогостоящие эксперименты по созданию новых элементов? Ведь они похожи один на другой и в природе не встречаются, так как распадаются за миллионные доли секунды (реальное применение из открытых ранее трансурановых элементов нашел лишь плутоний как ядерное топливо). Противники подобного расширения знаний о Вселенной утверждают, что во время синтеза сверхтяжелых ядер может произойти коллапс частицы земного вещества, что повлечет за собой непреднамеренное уничтожение нашей планеты….В 60-е годы прошлого века ученые США и СССР выдвинули гипотезу о существовании в области элементов с большими порядковыми номерами (около ядра с 114 протонами и 184 нейтронами) островков относительной стабильности, то есть предположительно нуклиды с N>110 могут быть долгоживущими по отношению к спонтанному делению. Кроме того, поскольку в атомах с большим числом электронов их энергии на заполняющихся внешних оболочках имеют близкие значения, четкая последовательность заполнения подоболочек нарушается, что отражается на свойствах соответствующих элементов. В связи с этим было высказано предположение о резко выраженном «размывании периодичности» для элементов с порядковым номером более 118.Практика же до недавнего времени демонстрировала обратное: чем больше атомный номер элемента, тем менее он стабилен (уран с n=92 существует около миллиарда лет, элемент 106 – несколько микросекунд). Нильс Бор предрекал, что последним элементом менделеевской таблицы станет элемент 104, поскольку следующие за ним распадаются так быстро, что говорить о них как о стабильной материи бессмысленно. Однако опыты ОИЯИ по синтезу элементов 113-118 показали, что они стабильны в течение гораздо более долгого периода времени, чем их более легкие предшественники («остров стабильности» был экспериментально обнаружен синтезом элемента 114, с периодом полураспада в несколько секунд, а не микро- или миллисекунд).Так гипотеза была подтверждена в своей первой части. И было обрисовано наше будущее – появление принципиально новой химии. Прежде всего синтез сверхтяжелых ядер позволил понять физику атомного ядра в целом, в частности, что ядро атома структурировано, а не аморфно и беспорядочно, как всегда считалось. Следующее практическое открытие – осознание того, что у элементов с большим порядковым номером нарушается традиционная зависимость свойств атомов от заполнения электронной оболочки. Оказалось, что при большом заряде ядра электроны должны очень быстро вращаться, чтобы не «упасть» в центр. При этом начинается релятивистское возрастание их массы, и для сверхтяжелых элементов подобные поправки меняют химическую картину их свойств. Настолько, что, может быть, понадобится создание новой таблицы для сверхтяжелых элементов, построенной совершенно по другому принципу, чем таблица Менделеева.Таким образом, элементы с номерами вблизи и на «острове стабильности» синтезируются для развития фундаментальной науки. Это важно, к тому же рост временной стабильности ядер сверхтяжелых элементов позволяет впервые на практике исследовать их необычные физические и химические свойства. На основе этих элементов будет создана новая ядерная энергетика (несколько миллиграммов любого из вновь открытых трансактиноидов эквивалентны 20 кг урана). На сегодня практический результат исследований – изготовление трековых мембран, пригодных для очистки воздуха, воды, разделения химических соединений, стерилизации биологических объектов (полимерная пленка облучается тяжелыми ядрами, ускоренными до одной десятой скорости света и разрывающими связи между молекулами; после химической обработки пленки с оставленными тяжелыми ядрами латентными следами – треками – образуется однородное сито субмикронного размера). (См. рисунок.) Также считается, что элементы 113-118 могут оказать решающее влияние на процесс образования звездных материй. Ведь в космосе существуют нейтронные звезды, которые можно рассматривать как ядро химического элемента с невообразимо большим порядковым номером. Поэтому в ходе опытов по синтезу новых элементов тщательно выверяются существующие модели связей нейтронов и протонов в ядрах всех элементов (кроме водорода). Эти модели, в свою очередь, в состоянии объяснить феномен различного содержания элементов звездных тел в разных уголках Вселенной и ее химическую историю.Дополнительные материалыYu. Oganessian et al. Synthesis of nuclei of the superheavy element 114 in reactions induced by 48Ca // Nature, 1999, V. 400, p. 242-245.Yu. Oganessian et al. Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the 249Cf and 245Cm+48Ca fusion reactions // Physical Review Letters, 2006, V. 74, №4, p. 44602-44611.Yu. Oganessian et al. Synthesis of a New Element with Atomic Number Z=117 // Physical Review Letters, 2010, V. 104, №14, p. 142502-142506.Е. Лозовская. Дубна, улица Жолио-Кюри // Наука и жизнь. – 2006. – №6. – С. 2-11.http://www.edu-cyberpg.com/IEC/elementsong.html – видеоклип «Песни химических элементов» Тома Лерера (текст на английском языке).http://www.periodicvideos. com/index.htm – англоязычный ресурс университета Нотингема (Англия) с интерактивной таблицей Менделеева, клик мышкой на каждый из элементов открывает доступ к короткометражному фильму, посвященному данному элементу.http://www.webelements.com/ – англоязычный интернет-ресурс, содержащий современную форму периодической таблицы Менделеева и краткие сведения о каждом из элементов.​Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук