Выдающиеся представители периодической таблицы: 7 самых удивительных химических элементов

Таблицу Менделеева видел каждый, кто не прогуливал школьные уроки химии, но далеко не все знают о необычных свойствах некоторых ее элементов. Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) рассказали Vokrugsveta.ru как пополняется периодическая таблица, почему грамм редкого изотопа калифорния стоит десятки миллионов долларов, сколько опасного радия содержит тело человека, как серебро позволяет управлять погодой и есть ли форма углерода тверже алмаза.

7 самых-самых химических элементов

Сейчас известно 118 элементов, из которых 24 получены в лабораторных условиях. Есть ли предел у периодической таблицы? Это зависит от того, насколько стабильны будут новые элементы. Стабильность — это способность ядра сохранять свою структуру без распада на более легкие элементы. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, и их устойчивое состояние зависит от соотношения этих частиц, а также от силы ядерных взаимодействий.

У искусственно полученных элементов с увеличением числа нейтронов (которому соответствует номер элемента в таблице) возрастает стабильность. То есть в теории элементы, например, после 120-го номера будут дольше сохранять ядро в «собранном» состоянии и не распадаться.

Каждый элемент обладает уникальными свойствами, но в таблице Менделеева есть особо «выдающиеся представители» — о них рассказывают ассистент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ Евгения Гладких и старший преподаватель кафедры металловедения, термической и лазерной обработки металлов ПНИПУ Александр Юрченко.

Самый дорогой — калифорний-252

Стоимость одного грамма этого изотопа калифорния составляет 27 миллионов долларов. Такая высокая цена объясняется большими затратами сырья, времени и энергии. Более того, в мире есть всего два места, где производят калифорний: Научно-исследовательский институт атомных реакторов в Дмитровограде (Россия) и лаборатория Ок-Ридж (США). Стоимость калифорния-252 включает расходы на его транспортировку — элемент крайне радиоактивен, поэтому его перевозка требует повышенных мер безопасности.

Ценность калифорния кроется в его высоком энергетическом потенциале: микрограмм калифорния испускает 2 миллиона нейтронов в секунду. Поэтому вещество применяется в ядерной энергетике, радиохирургии, геологической разведке. В науке его используют в области ядерных исследований.

Самый «жадный» — фтор

Вещество под номером 9 в периодической таблице обладает самой высокой электроотрицательностью. Так называют способность атома в молекуле оттягивать к себе электроны химической связи. То есть фтор активнее прочих ворует отрицательно заряженные частицы у других атомов, присоединяя к себе.

— Как самый сильный окислитель из всех простых веществ фтор может сжечь даже воду и окислить кислород. Он образует соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов: гелия (есть информация, что фторид гелия можно получить в лабораторных условиях, но его молекула будет быстро распадаться) и неона, — сообщает Евгения Гладких.

При определенных условиях фтор взаимодействует почти со всеми веществами, при этом большинство таких реакций протекает с горением и взрывом. Например, фтористоводородные горелки используются для резки металлов, температура в них достигает 3700 °С. Еще элемент применяется для обработки воды, зубных паст и даже детского молока. В медицине его добавляют в препараты для лечения заболеваний щитовидной железы, диабета, рака, бронхиальных инфекций и малярии. Фторуглеводороды служат кровезаменителями. В агрономии — компонент средства для борьбы с грызунами и другими вредителями.

Самый редкий элемент в теле человека — радий

В первой половине XX века радий добавляли в косметику. Считалось, что он способствует омолаживанию, но это совершенно не так. Радий вреден для нашего организма, поскольку радиоактивен. Он откладывается в костях человека и других тканях, что может привести к остеопорозу или появлению опухолей. Кроме того, часть радия попавшего в организм, всасывается в желудочно-кишечном тракте.

— Сейчас радий в косметике не используют, но он попадает в организм человека с пищей (чаще всего с пшеницей, картофелем, мясом) и водой, где этот элемент содержится всегда. Обычно его концентрация составляет менее 0,0001 миллиграмма на килограмм массы тела. Наличие вещества в организме человека каждый день может меняться, но практически весь поступивший с пищей и водой радий выводится естественным путем. И, как правило, это не наносит вреда здоровью, — объясняет Александр Юрченко.

Самый «многоликий» — углерод

— Этот элемент с атомным номером 6 обладает наибольшим количеством аллотропных модификаций, которые отличаются структурой. То есть углерод может в чистом виде пребывать в виде различных веществ. Например, сажу применяют в качестве интенсивного черного пигмента, а активированный уголь — пористое вещество, которое является адсорбентом и отлично впитывает. С помощью крайне прочных алмазов материалы подвергают механической обработке, сверлению, шлифованию. Уникальные структуры фуллеренов, графена, углеродных нанотрубок отлично подходят для создания сверхпроводников, открывают новые перспективы в развитии нанотехнологий. Они также используются как упрочняющие компоненты для различных композиционных материалов, — сообщает Евгения Гладких.

Ученые отмечают, что карбин, еще одна аллотропная форма углерода, даже прочнее углеродных нанотрубок и тверже алмаза. Предполагается, что его бездефектные нитевидные кристаллы, получаемые в искусственных условиях, найдут широкое применение в оптике, электронике и медицине.

Самый лучший проводник тока — серебро

Серебро (атомный номер — 47) обладает наименьшим удельным сопротивлением, или, другими словами, отлично проводит электрический ток. Поэтому вещество активно используют в аккумуляторах, солнечных батареях, выключателях или медицинском оборудовании.

Еще одно примечательное свойство серебра — оно отражает до 97% видимого света. Поэтому раньше его использовали для изготовления зеркал. Первые упоминания о серебряных изделиях появились еще до нашей эры. Активное использование вещества в зеркалах началось только в XIX веке в Германии. До этого их делали из меди, стали, олова, латуни и др.

Самый ядовитый — таллий

Объем таллия в природе крайне невелик: в небольших количествах он может быть обнаружен в рудном минерале пирите, калиевых минералах. Известно, что содержание элемента в земной коре менее 5*10^-5%, в морской воде — еще меньше, около миллиардной доли процента.

Таллий (в периодической таблице он идет под номером 81) может быть применен в качестве компонента теплоносителя для низкотемпературных термометров, его соединения используют в инфракрасной оптике, минералогии, органическом синтезе. Один из изотопов таллия применяют для кардиологических исследований.

— О том, что таллий крайне опасен для человека, известно достаточно давно. Всего 600 мг являются смертельной дозой. Его наличие в питьевой воде и пищевых продуктах строго регламентируется. Однако нет информации о случаях отравления таллием в быту, в результате контакта с загрязненными почвами, водоемами или даже при возникновении чрезвычайной ситуации на производстве. Когда-то соединения таллия использовали как отраву для грызунов, но и эти времена давно прошли. Так что опасаться не стоит, но о симптомах знать желательно. Одним из характерных признаков отравления таллием является алопеция — выпадение волос, — отмечает Евгения Гладких.

Самый древний элемент — водород

— Согласно современным представлениям о происхождении химических элементов, сразу после Большого взрыва элементарные частицы (такие, как протон, нейтрон и электрон) обладали слишком большой кинетической энергией, чтобы образовывать ядра и атомы. Но, расширяясь, Вселенная остывала, и частицы начали притягиваться друг к другу. Сильные взаимодействия привели к образованию ядер, а слабые электромагнитные — атомов. Предполагается, что в первые часы после рождения Вселенной появилось большое количество водорода, значительно меньше гелия и, возможно, немного лития. Именно водород считается самым «древним» и распространенным, это объясняется строением его атома: в состав протия, самого легкого изотопа водорода, входят всего один протон и один электрон, — объясняет Евгения Гладких.

Водород остается самым распространенным элементом во Вселенной. Именно он является исходным веществом для ядерных реакций в звездах — основного источника энергии звезд и причины их светимости. И именно в звездных ядерных реакциях образуется большая часть химических элементов, существующих в природе.