Lit i hel są spokrewnione. Zaskoczenie: Zgadnij, jaki jest trzeci najliczniejszy pierwiastek we Wszechświecie? Tajemnice gazów szlachetnych

Lit

Hel

Hel zajmuje drugą pozycję w układzie okresowym pierwiastków po wodorze. Masa atomowa helu wynosi 4,0026. Jest gazem obojętnym bez koloru. Jego gęstość wynosi 0,178 grama na litr. Hel jest trudniejszy do upłynnienia niż wszystkie znane gazy tylko w temperaturze minus 268,93 stopni Celsjusza i praktycznie nie krzepnie. Schłodzony do minus 270,98 stopni Celsjusza hel uzyskuje nadciekłość. Hel powstaje najczęściej w wyniku rozpadu dużych atomów. Na Ziemi jest rozprowadzany w niewielkich ilościach, ale na Słońcu, gdzie następuje intensywny rozpad atomów, jest dużo helu. Wszystkie te dane są niejako danymi paszportowymi i są dobrze znane.

Zajmijmy się topologiami helu, a najpierw określimy jego wymiary. Biorąc pod uwagę, że masa atomowa helu jest czterokrotnie większa od masy wodoru, a atom wodoru jest 1840 razy cięższy od elektronu, otrzymujemy masę atomu helu równą 7360 elektronów; stąd całkowita liczba kulek eterycznych w atomie helu wynosi około 22 000; długość sznura atomu i średnica oryginalnego torusa są odpowiednio równe 7360 i 2300 kulom eterycznym. Aby zobrazować stosunek grubości kordu pierwotnego torusa atomu helu do jego średnicy, narysujmy na kartce papieru pisakiem okrąg o średnicy 370 milimetrów i zostawmy ślad z pióro ma szerokość jednej trzeciej milimetra; powstały okrąg da nam wskazaną reprezentację. Jeden elektron (wbudowane kulki eteryczne) zajmie tylko 0,15 milimetra na narysowanym okręgu.

Skręcenie pierwotnego torusa w gotową formę atomu helu następuje w następujący sposób. Najpierw okrąg zostaje spłaszczony w owal, potem w kształt hantli, potem w ósemkę, a następnie pętle ósemki rozwijają się tak, że zachodzi na siebie. Nawiasem mówiąc, nie powstaje nakładanie się większych atomów, co tłumaczy się tym, że długość sznurka przy atomie helu nie jest jeszcze duża, a gdy środki sznurka mają tendencję do zbliżania się, krawędzie ( pętle) są zmuszone do rozwinięcia. Ponadto krawędzie ulegną zgięciu i zaczną się zbiegać.

Do tego momentu topologia atomu helu, jak widzimy, jest podobna do topologii atomu izotopu wodoru - trytu, ale jeśli tryt nie miał wystarczającej siły, aby zamknąć krawędzie (nie było wystarczającej długości jego przewód), następnie pętle helowe przesuwają się jedna na drugą, a tym samym zamykają się. W celu sprawdzenia niezawodności połączenia pętli wystarczy prześledzić położenie ich stron ssących: dla pętli wewnętrznej będzie to na zewnątrz, a dla pętli zewnętrznej będzie to od wewnątrz.

Bardzo wygodnie jest przedstawić topologię atomów w postaci modeli drutowych; w tym celu wystarczy użyć umiarkowanie elastycznego, ale wystarczająco plastycznego drutu. Atom wodoru zostanie przedstawiony jako zwykły pierścień. Zwiększmy długość kawałka drutu czterokrotnie (tyle razy atom helu jest cięższy od atomu wodoru), zwinąć go w pierścień, przylutować końce i zademonstrować proces skręcania atomu helu. Podczas skręcania musimy stale pamiętać, że promienie gięcia nie powinny być mniejsze niż promień pierścienia, który jest atomem wodoru; jest to niejako warunek wyznaczony przez elastyczność kordu - muszli torusa. (W naturze, jak pamiętamy, minimalny promień wynosił 285 kulek eterycznych). Przyjęty minimalny promień gięcia określa topologię wszystkich atomów; i jeszcze jedno: konsekwencją tych samych promieni gięcia będą te same rozmiary pętli ssących (rodzaj ich standaryzacji), a zatem tworzą one stabilną wartościowość, wyrażoną w zdolności do łączenia ze sobą różnych atomów. Gdyby zawiasy miały różne rozmiary, ich połączenie byłoby problematyczne.

Doprowadzając do końca proces skręcania modelu drutu atomu helu, okazuje się, że nakładające się pętle nie są popychane jedna na drugą, dopóki się nie zatrzymają. Dokładniej, woleliby skręcić jeszcze bardziej, ale elastyczność sznurka na to nie pozwala, to znaczy warunek minimalnego promienia. I z każdą próbą przesuwania się pętli jeszcze dalej, elastyczność sznurka odrzuci je z powrotem; odbijając się, znów rzucą się do przodu, a elastyczność znów je odrzuci; w tym przypadku atom helu skurczy się, a następnie rozkwitnie, czyli pojawi się pulsacja. Pulsacja z kolei stworzy stojące pole termiczne wokół atomu i sprawi, że będzie on puszysty; więc doszliśmy do wniosku, że hel jest gazem.

Inne właściwości fizyczne i chemiczne helu można również wyjaśnić na podstawie topologii. O jego bezwładności świadczy na przykład fakt, że jego atomy nie mają otwartych pętli ssących ani kanałów ssących: w ogóle nie jest w stanie łączyć się z innymi atomami, dlatego jest zawsze atomowy i praktycznie nie twardnieje. Hel nie ma koloru, ponieważ jego atomy nie mają prostych „brzmiących” odcinków strun; a nadciekłość wynika z braku lepkości (sklejania się atomów), zaokrąglonego kształtu i małych rozmiarów atomu.

Podobnie jak wodór, atomy helu nie mają tej samej wielkości: niektóre z nich są większe, inne mniejsze i na ogół zajmują prawie całą przestrzeń wagową od wodoru (trytu) do litu po helu; mniej trwałe izotopy helu oczywiście już dawno się rozłożyły, ale można policzyć ponad sto, które istnieją w chwili obecnej.

W układzie okresowym lepiej umieścić hel nie na końcu pierwszego okresu - w tym samym rzędzie z wodorem, ale na początku drugiego okresu przed litem, ponieważ jego atom, podobnie jak atomy całego tego okresu, jest pojedyncza struktura (pojedynczy kłębuszki), natomiast jak atom kolejnego gazu obojętnego, neonu, już wygląda jak sparowana struktura, podobna w tej cesze do atomów trzeciego okresu.

Lit zajmuje trzecią liczbę w układzie okresowym; jego masa atomowa wynosi 6,94; należy do metali alkalicznych. Lit jest najlżejszym ze wszystkich metali: jego gęstość wynosi 0,53 grama na centymetr sześcienny. Jest koloru srebrzystobiałego z jasnym metalicznym połyskiem. Lit jest miękki i łatwy do cięcia nożem. W powietrzu szybko ciemnieje, łącząc się z tlenem. Temperatura topnienia litu wynosi 180,5 stopnia Celsjusza. Znane są izotopy litu o masach atomowych 6 i 7. Pierwszy izotop jest używany do produkcji ciężkiego izotopu wodoru, trytu; inny izotop litu jest stosowany jako chłodziwo w kotłach reaktorów jądrowych. Są to ogólne dane fizyczne i chemiczne litu.

Zacznijmy ponownie topologię atomów litu od zrozumienia wymiarów pierwotnego torusa. Teraz wiemy, że każdy pierwiastek chemiczny, w tym lit, ma dużą liczbę izotopów, mierzoną w setkach i tysiącach; w związku z tym rozmiary atomów będą wskazywane od ... do .... Ale co oznaczają te ograniczenia? Czy można je dokładnie określić? Czy są przybliżone? A jaki jest stosunek izotopów? Powiedzmy od razu: nie ma jednoznacznych odpowiedzi na postawione pytania; za każdym razem konieczne jest ingerowanie w określoną topologię atomów. Przyjrzyjmy się tym problemom na przykładzie litu.

Jak zauważyliśmy, przejście od protu do helu z topologicznego punktu widzenia następuje systematycznie: wraz ze wzrostem wielkości początkowego torusa zmienia się stopniowo ostateczna konfiguracja atomów. Ale fizyczne, a zwłaszcza chemiczne właściwości atomów w przejściu od protu do helu zmieniają się bardziej niż znacząco, raczej radykalnie: od uniwersalnego przyciągania protu do całkowitej bezwładności helu. Gdzie, na jakim izotopie to się stało?

Takie skoki właściwości są związane ze skokami wielkości izotopów. Duży atom wodoru (tryt), który przybiera kształt atomu helu, okazuje się radioaktywny, czyli kruchy. Wynika to z faktu, że jego zakrzywione krawędzie pętelek nie stykają się ze sobą i można sobie wyobrazić, jak trzepoczą, pędząc w kierunku. Przypominają dłonie dwojga ludzi w rozbieżnych łodziach, bezsilnie próbujących sięgnąć i złapać się. Zewnętrzne ciśnienie eteryczne będzie naciskać na konsole trzepoczących pętli atomów tak mocno, że nie doprowadzi do dobra; po otrzymaniu nawet niewielkiego dodatkowego ściśnięcia z boku konsole odłamią się - nie wytrzymają ostrego zgięcia sznurka, a atom zapadnie się; tak to się dzieje. Można więc powiedzieć, że wśród izotopów obserwuje się zapadnięcia na granicach istniejących przejść fizykochemicznych: izotopów tam po prostu nie ma.

Podobna luka istnieje między helem a litem: jeśli atom nie jest już helem, ale jeszcze nie litem, to jest kruchy i od dawna nie występuje w warunkach ziemskich. Dlatego izotop litu o masie atomowej sześciu, czyli o długości torusa 11 kulek eterycznych, jest bardzo rzadki i, jak już wspomniano, służy do otrzymywania trytu: łatwo go złamać, skrócić i uzyskać w rezultacie izotop wodoru.

Tak więc, jak się wydaje, zdecydowaliśmy się na najmniejszy rozmiar atomu litu: jest to 11 związanych elektronów. Jeśli chodzi o jej górną granicę, jest tu pewien szkopuł: faktem jest, że zgodnie z topologią atom litu nie różni się zbytnio od atomu następnego atomu berylu (to wkrótce zobaczymy) i nie ma izotopów albo element bez awarii. Dlatego na razie nie będziemy wskazywać górnej granicy wielkości atomu litu.

Prześledźmy powstawanie atomu litu. Początkowy krąg nowo utworzonego mikrowiru o wymiarach wskazanych powyżej będzie miał tendencję do przekształcania się w owal; tylko w litie owal jest bardzo długi: około 8 razy dłuższy niż średnica zaokrąglenia końca (pętla przyszłości); jest to bardzo wydłużony owal. Początek krzepnięcia atomu litu jest podobny do tego samego początku dla dużych atomów wodoru i helu, ale potem pojawia się odchylenie: ósemka z nałożeniem, to znaczy z obrotem pętli, nie występuje; dalszej zbieżności długich boków (sznurów) owalu, aż do pełnego kontaktu, towarzyszy jednoczesne zginanie końców do siebie.

Dlaczego ósemka z zakładką nie jest utworzona? Przede wszystkim dlatego, że owal jest bardzo długi i nawet jego pełne ugięcie w hantlu do momentu zetknięcia się sznurków w środku nie powoduje ich silnego zginania; dlatego potencjał do odwrócenia skrajnych pętli jest bardzo słaby. Po drugie, początek zginania końców owalu w pewnym stopniu przeciwdziała obrocie. Innymi słowy: aktywny moment sił dążących do skrętu pętli końcowych jest bardzo mały, a moment oporu skrętu duży.

Dla jasności użyjemy pierścieni gumowych, np. stosowanych w uszczelnieniach maszyn. Jeśli uszczypniesz pierścień o małej średnicy, z pewnością zwinie się w ósemkę z zakładką; a jeśli wybierzesz pierścień o dużej średnicy, to jego szczypanie do momentu pełnego kontaktu linek nie powoduje skrętu pętli końcowych. Przy okazji: te gumowe pierścienie są również bardzo wygodne do modelowania topologii atomów; jeśli oczywiście jest ich szeroka gama.

Wygięcie końców owalu spowodowane jest, jak już wiemy, zaburzeniem eteru między nimi: po lekkim odsunięciu się od idealnie prostej pozycji będą już zmuszone zbliżyć się do pełnego kontaktu. Oznacza to, że końcówki nie mogą być zginane w różnych kierunkach. Ale z kierunkiem zgięcia mają wybór: albo tak, aby strony ssące pętli końcowych znajdowały się na zewnątrz lub wewnątrz. Wariant pierwszy jest bardziej prawdopodobny, ponieważ moment od sił odpychania wirujących powłok sznurka z sąsiedniego eteru w zewnętrznych punktach pętli będzie większy niż w wewnętrznych.

Zbliżające się boki owalu bardzo szybko się zetkną, łuk linek rozłoży się od środka do końców i zatrzyma się dopiero wtedy, gdy na końcach uformują się pętle o minimalnych dopuszczalnych promieniach gięcia. Występujące jednocześnie zagięcia i wzajemne zbliżanie się tych pętli prowadzą do zderzenia ich wierzchołków, po czym do gry wchodzą ich strony ssące: pętle ssące nurkują głęboko; a proces tworzenia konfiguracji atomu litu dopełnia fakt, że przesunięte pętle opierają się wierzchołkami o sparowane kordy dokładnie w środku struktury. Zdalnie ta konfiguracja atomu przypomina serce, a dokładniej jabłko.

Pierwszy wniosek nasuwa się sam: atom litu zaczyna się, gdy wierzchołki sparowanych pierwotnych pętli, które zanurkowały w strukturę, docierają do sznurów w środku atomu. A wcześniej nie było jeszcze litu, ale jakiś inny pierwiastek, który nie występuje już w naturze; jego atom był niezwykle niestabilny, bardzo silnie pulsował, był więc puszysty i należał do gazów. Ale atom samego początkowego izotopu litu (zdefiniowaliśmy go jako składający się z 11 000 związanych elektronów) również okazuje się niezbyt silny: promienie zgięcia jego pętli są ograniczające, to znaczy elastyczne sznury są wygięte do granic możliwości, i przy każdym zewnętrznym wpływie są gotowe do wybuchu. W przypadku większych atomów ten słaby punkt jest wyeliminowany.

Reprezentując obraz atomu litu na podstawie wyników topologii, można ocenić, co się stało. Dwie pętle pierwotne zamknęły się i zneutralizowały, a pętle wtórne po obu stronach pętli pierwotnych również zostały zneutralizowane. Sparowane sznury utworzyły rowek, który biegnie wzdłuż całego konturu atomu - jest jakby zamknięty w pierścieniu - i jego strona ssąca okazała się być na zewnątrz. Z tego wynika, że atomy litu mogą łączyć się ze sobą iz innymi atomami tylko za pomocą rowków ssących; atom litu nie może tworzyć pętlowego związku cząsteczkowego.

Mocno wypukłe ssawki atomów litu można łączyć ze sobą tylko na krótkich odcinkach (teoretycznie punktowo), dlatego struktura przestrzenna połączonych ze sobą atomów litu okazuje się bardzo luźna i rzadka; stąd niska gęstość litu: jest prawie dwa razy lżejszy od wody.

lit - metal; jego właściwości metaliczne wynikają ze specyfiki kształtów jego atomów. Można to powiedzieć w inny sposób: te szczególne właściwości litu, które wynikają ze specjalnych form jego atomów i które sprawiają, że jest on fizycznie i chemicznie różny od innych substancji, nazywa się metalicznym; Przyjrzyjmy się niektórym z nich:

przewodnictwo elektryczne: wynika z faktu, że atomy mają kształt pierścienia z sparowanych sznurów, tworząc rynny ssące, otwierające się na zewnątrz, obejmujące atomy wzdłuż konturu i zamykające się na sobie; elektrony przyklejone do tych rowków mogą się po nich swobodnie poruszać (przypominamy raz jeszcze, że trudności pojawiają się, gdy elektrony są oddzielane od atomów); a ponieważ atomy są połączone ze sobą tymi samymi rowkami, to elektrony mają zdolność przeskakiwania z atomu na atom, to znaczy poruszania się po ciele;

przewodność cieplna: elastycznie zakrzywione kordy atomu tworzą niezwykle sztywną, elastyczną strukturę, która praktycznie nie pochłania szoków o niskiej częstotliwości i dużej amplitudzie (termicznych) sąsiednich atomów, ale przenosi je dalej; a gdyby nie było możliwych zakłóceń w ich kontaktach (dyslokacjach) w grubości atomów, to fala termiczna rozchodziłaby się z dużą prędkością;
blask: uderzenia fal świetlnych eteru o wysokiej częstotliwości i niskiej amplitudzie łatwo odbijają się od intensywnie zakrzywionych sznurów atomów i odchodzą, przestrzegając praw odbicia fal; atom litu nie ma prostych odcinków sznurków, dlatego nie ma własnego „dźwięku”, to znaczy nie ma własnego koloru - lit jest więc srebrzystobiały z silnym połyskiem na odcinkach;
plastyczność: zaokrąglone atomy litu można łączyć ze sobą w dowolny sposób; mogą bez zrywania przewracać się nawzajem; a wyraża się to w tym, że ciało wykonane z litu może zmieniać swój kształt bez utraty integralności, czyli być plastycznym (miękkim); w rezultacie lit jest cięty nożem bez większych trudności.

Na przykładzie zauważonych cech fizycznych litu można wyjaśnić samo pojęcie metalu: metal to substancja składająca się z atomów o ostro zakrzywionych kordach tworzących wyprofilowane rynny ssące otwarte na zewnątrz; atomy wyraźnych (alkalicznych) metali nie mają otwartych pętli ssących i prostych lub gładko zakrzywionych odcinków przewodu. Dlatego lit w normalnych warunkach nie może łączyć się z wodorem, ponieważ atom wodoru jest pętlą. Ich połączenie może być tylko hipotetyczne: w głębokim mrozie, gdy wodór zestala się, jego cząsteczki mogą łączyć się z atomami litu; ale wszystko wskazuje na to, że ich stop byłby tak miękki jak sam lit.

Jednocześnie wyjaśniamy pojęcie plastyczności: o plastyczności metali decyduje fakt, że ich zaokrąglone atomy mogą toczyć się po sobie, zmieniając względną pozycję, ale nie tracąc ze sobą kontaktu.

Beryl zajmuje czwartą pozycję w układzie okresowym. Jego masa atomowa wynosi 9,012. Jest to jasnoszary metal o gęstości 1,848 gramów na centymetr sześcienny i temperaturze topnienia 1284 stopni Celsjusza; jest twardy i jednocześnie kruchy. Materiały konstrukcyjne na bazie berylu są zarówno lekkie, mocne, jak i odporne na wysokie temperatury. Stopy berylu, które są 1,5 razy lżejsze od aluminium, są jednak mocniejsze niż wiele specjalnych stali. Zachowują swoją wytrzymałość do temperatury 700...800 stopni Celsjusza. Beryl jest odporny na promieniowanie.

Pod względem właściwości fizycznych, jak widać, beryl bardzo różni się od litu, ale pod względem topologii atomów są prawie nie do odróżnienia; jedyną różnicą jest to, że atom berylu jest niejako „zszyty z marginesem”: jeśli atom litu przypomina ciasny garnitur uczniaka na dorosłym, to atom berylu, przeciwnie, jest obszernym garniturem dorosły na figurze dziecka. Nadmiar długości struny atomu berylu, przy takiej samej jego konfiguracji z litem, tworzy łagodniejszy zarys z promieniami gięcia przekraczającymi minimalne wartości krytyczne. Taka „rezerwa” krzywizny dla atomów berylu pozwala na ich deformację aż do granicy zginania włókien.

Podobieństwo topologiczne atomów litu i berylu wskazuje, że nie ma między nimi wyraźnej granicy; i nie można powiedzieć, który jest największym atomem litu, a który najmniejszym atomem berylu. Koncentrując się tylko na tabelarycznej masie atomowej (i uśrednia ona wszystkie wartości), możemy założyć, że sznur średniej wielkości atomu berylu składa się z około 16 500 związanych elektronów. Górna granica wielkości atomów izotopu berylu opiera się na minimalnej wielkości atomu kolejnego pierwiastka - boru, którego konfiguracja znacznie się różni.

Margines krzywizny sznurów atomów berylu wpływa przede wszystkim na ich wzajemne połączenie w momencie krzepnięcia metalu: sąsiadują ze sobą nie krótkimi (kropkowanymi) odcinkami, jak w licie, ale długimi granicami; kontury atomów niejako dopasowują się do siebie, odkształcając się i przylegając do siebie w maksymalny możliwy sposób; więc te połączenia są bardzo silne. Atomy berylu wykazują również swoją zdolność do wzmacniania w związkach z atomami innych metali, czyli w stopach, w których beryl stosowany jest jako dodatek do metali ciężkich: wypełnianie pustych przestrzeni i przyklejanie elastycznymi rowkami do atomów metalu podstawowego, atomów berylu trzymaj je razem jak klej, dzięki czemu stop jest bardzo trwały. Stąd wynika, że o wytrzymałości metali decydują długości sklejonych ze sobą odcinków ssawek atomów: Im dłuższe te sekcje, tym mocniejszy metal. Zniszczenie metali następuje zawsze wzdłuż powierzchni z najkrótszymi lepkimi odcinkami.

Margines na promienie gięcia kordów atomów berylu pozwala na ich deformację bez zmiany połączeń między nimi; w rezultacie całe ciało jest zdeformowane; jest to deformacja elastyczna. Jest elastyczna, ponieważ w każdym stanie początkowym atomy mają najmniej naprężone formy, a zdeformowane muszą znosić pewne „niedogodności”; a gdy tylko siła deformująca zniknie, atomy wracają do swoich pierwotnych, mniej naprężonych stanów. Stąd, o sprężystości metalu decyduje nadmierna długość kordów jego atomów, co pozwala na ich deformację bez zmiany obszarów wzajemnych połączeń.

Elastyczność berylu jest związana z jego odpornością na ciepło; wyraża się to tym, że ruchy termiczne atomów mogą zachodzić w granicach odkształceń sprężystych, które nie powodują zmiany związków atomów między sobą; więc ogólnie określa się odporność cieplną metalu, a także elastyczność, nadmiar długości sznurów jego atomów. Spadek wytrzymałości metalu przy wysokim nagrzewaniu tłumaczy się tym, że ruchy termiczne jego atomów zmniejszają obszary ich połączeń ze sobą; a kiedy te obszary całkowicie znikną, metal topi się.

Elastyczności berylu towarzyszy jego kruchość. Kruchość można uznać w ogólnym przypadku za przeciwieństwo plastyczności: jeśli plastyczność wyraża się w zdolności atomów do zmiany swoich wzajemnych pozycji przy zachowaniu obszarów łączących, to kruchość wyraża się przede wszystkim w tym, że atomy nie mieć taką możliwość. Jakiekolwiek wzajemne przemieszczenie atomów kruchego materiału może nastąpić tylko wtedy, gdy ich wiązania są całkowicie zerwane; atomy te nie mają innych wariantów związków. W materiałach elastycznych (w metalach) kruchość charakteryzuje się również tym, że jest jakby przeskakiwaniem: pęknięcie powstałe w wyniku nadmiernych naprężeń rozprzestrzenia się błyskawicznie po całym przekroju ciała. Dla porównania: cegła pod uderzeniami młotka może się kruszyć (to też jest kruchość), ale nie pękać. „Skaczącą” kruchość berylu tłumaczy się tym, że jego atomy nie są ze sobą najlepiej połączone i wszystkie są zestresowane; a gdy tylko jedno wiązanie zostanie zerwane, atomy graniczne szybko zaczynają się „prostować” ze szkodą dla połączeń z sąsiadami; więzy tych ostatnich również zaczną się rozpadać; a proces ten nabierze charakteru łańcuchowego. Stąd, kruchość metali elastycznych zależy od stopnia odkształcenia połączonych ze sobą atomów i niemożności zmiany wiązań między nimi.

Odporność berylu na promieniowanie tłumaczy się tym samym zapasem wielkości jego atomów: sznur atomu berylu ma zdolność sprężystości pod wpływem silnego promieniowania, nie osiągając swojej krytycznej krzywizny, a tym samym pozostaje nienaruszony.

A jasnoszary kolor berylu i brak jasnego metalicznego połysku, takiego jak na przykład lit, można wytłumaczyć w ten sam sposób: fale świetlne eteru padają na niesztywne sznury powierzchniowych atomów berylu, są przez nie pochłaniane, a tylko część fal jest odbijana i tworzy rozproszone światło.

Gęstość berylu jest prawie czterokrotnie większa niż litu tylko dlatego, że gęstość strun jego atomów jest wyższa: są one połączone ze sobą nie w punktach, ale na długich odcinkach. Jednocześnie beryl w swojej ciągłej masie jest substancją dość luźną: jest tylko dwa razy gęstszy od wody.

MOSKWA, 6 lutego - RIA Novosti. Rosyjscy i zagraniczni chemicy deklarują możliwość istnienia dwóch stabilnych związków najbardziej „ksenofobicznego” pierwiastka - helu, i eksperymentalnie potwierdzili istnienie jednego z nich - helidu sodu, zgodnie z artykułem opublikowanym w czasopiśmie Nature Chemistry.

„To badanie pokazuje, jak zupełnie nieoczekiwane zjawiska można wykryć przy użyciu najnowocześniejszych metod teoretycznych i eksperymentalnych. Nasza praca po raz kolejny ilustruje, jak niewiele wiemy dzisiaj o wpływie ekstremalnych warunków na chemię i roli takich zjawisk na procesy wewnątrz planet. do wyjaśnienia”, mówi Artem Oganov, profesor Skoltech i Moscow Phystech w Dołgoprudnym.

Tajemnice gazów szlachetnych

Pierwotna materia Wszechświata, która powstała kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, składała się tylko z trzech pierwiastków - wodoru, helu i śladowych ilości litu. Hel jest nadal trzecim najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie, ale jest niezwykle rzadki na Ziemi, a rezerwy helu na planecie stale się zmniejszają, ponieważ ucieka w kosmos.

Charakterystyczną cechą helu i innych pierwiastków ósmej grupy układu okresowego, które naukowcy nazywają „gazami szlachetnymi”, jest to, że są one niezwykle niechętne – w przypadku ksenonu i innych pierwiastków ciężkich – lub w zasadzie, jak neon, nie jest w stanie wejść w reakcje chemiczne. Istnieje tylko kilkadziesiąt związków ksenonu i kryptonu z fluorem, tlenem i innymi silnymi utleniaczami, zero związków neonu i jeden związek helu, odkryte eksperymentalnie w 1925 roku.

Związek ten, połączenie protonu i helu, nie jest prawdziwym związkiem chemicznym w ścisłym tego słowa znaczeniu – hel w tym przypadku nie uczestniczy w tworzeniu wiązań chemicznych, chociaż wpływa na zachowanie pozbawionych elektron. Jak wcześniej zakładali chemicy, „cząsteczki” tej substancji powinny zostać znalezione w ośrodku międzygwiazdowym, ale przez ostatnie 90 lat astronomowie ich nie odkryli. Możliwym powodem tego jest to, że ten jon jest bardzo niestabilny i ulega zniszczeniu w kontakcie z prawie każdą inną cząsteczką.

Artem Oganov i jego zespół zastanawiali się, czy związki helu mogą istnieć w egzotycznych warunkach, o których ziemscy chemicy rzadko myślą - przy ultrawysokich ciśnieniach i temperaturach. Oganov i jego koledzy od dawna badają taką „egzotyczną” chemię, a nawet opracowali specjalny algorytm wyszukiwania substancji, które istnieją w takich warunkach. Z jego pomocą odkryli, że w głębinach gazowych gigantów i niektórych innych planet może istnieć egzotyczny kwas ortowęglowy, „niemożliwe” wersje zwykłej soli kuchennej oraz szereg innych związków „naruszających” prawa klasycznej chemii.

Korzystając z tego samego systemu, USPEX, naukowcy rosyjscy i zagraniczni odkryli, że przy ultrawysokich ciśnieniach przekraczających ciśnienie atmosferyczne o 150 tysięcy i milion razy, jednocześnie występują dwa stabilne związki helu - helid sodu i oksygelid sodu. Pierwszy związek składa się z dwóch atomów sodu i jednego atomu helu, podczas gdy drugi składa się z tlenu, helu i dwóch atomów sodu.

Bardzo wysokie ciśnienie spowodowało, że sól „łamała” zasady chemiiChemicy amerykańsko-rosyjscy i europejscy zamienili zwykłą sól kuchenną w chemicznie „niemożliwy” związek, którego cząsteczki są zorganizowane w egzotyczne struktury o różnej liczbie atomów sodu i chloru.

Atom na diamentowym kowadle

Oba ciśnienia można łatwo uzyskać za pomocą nowoczesnych kowadeł diamentowych, co koledzy Oganowa wykonali pod kierunkiem innego Rosjanina, Aleksandra Gonczarowa z Laboratorium Geofizycznego w Waszyngtonie. Jak pokazały jego eksperymenty, żelid sodu tworzy się pod ciśnieniem około 1,1 miliona atmosfer i pozostaje stabilny do co najmniej 10 milionów atmosfer.

Co ciekawe, helid sodu jest podobny w budowie i właściwościach do soli fluoru, „sąsiada” helu w układzie okresowym. Każdy atom helu w tej „soli” jest otoczony ośmioma atomami sodu, podobnie jak fluorek wapnia lub jakakolwiek inna sól kwasu fluorowodorowego. Elektrony w Na2He są tak silnie „przyciągane” do atomów, że związek ten, w przeciwieństwie do sodu, jest izolatorem. Naukowcy nazywają takie struktury kryształami jonowymi, ponieważ elektrony odgrywają w nich rolę i miejsce jonów naładowanych ujemnie.

MIPT: wnętrzności Neptuna i Urana mogą zawierać „kwas Hitlera”Chemicy z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Techniki oraz Skoltech sugerują, że w głębinach Urana i Neptuna może znajdować się warstwa egzotycznej materii – kwasu ortowęglowego, tzw. „kwasu Hitlera”.

„Odkryty przez nas związek jest bardzo nietypowy: chociaż atomy helu nie uczestniczą bezpośrednio w wiązaniu chemicznym, ich obecność zasadniczo zmienia interakcje chemiczne między atomami sodu, przyczyniając się do silnej lokalizacji elektronów walencyjnych, co czyni otrzymany materiał izolatorem” wyjaśnia Xiao Dong z uniwersytetu Nankan w Tianjin (Chiny).

Inny związek, Na2HeO, okazał się stabilny w zakresie ciśnień od 0,15 do 1,1 mln atmosfer. Substancja jest również kryształem jonowym i ma strukturę zbliżoną do Na2He, jedynie rolę ujemnie naładowanych jonów odgrywają w nich nie elektrony, a atomy tlenu.

Co ciekawe, wszystkie inne metale alkaliczne, które mają wyższą reaktywność, znacznie rzadziej tworzą związki z helem pod ciśnieniem przekraczającym ciśnienie atmosferyczne nie więcej niż 10 milionów razy.

Rosyjscy naukowcy modelowali wnętrza egzoplanet-super-ZiemiGrupa specjalistów z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii próbowała dowiedzieć się, jakie związki pod wysokim ciśnieniem mogą tworzyć krzem, tlen i magnez. Naukowcy twierdzą, że pierwiastki te są podstawą chemii Ziemi i planet ziemskich.

Oganov i jego koledzy przypisują to faktowi, że orbity, wzdłuż których poruszają się elektrony w atomach potasu, rubidu i cezu, zmieniają się zauważalnie wraz ze wzrostem ciśnienia, co nie ma miejsca w przypadku sodu, z powodów, które nie są jeszcze jasne. Naukowcy uważają, że żelek sodu i inne podobne substancje można znaleźć w jądrach niektórych planet, białych karłów i innych gwiazd.

Naukowcom udało się uzyskać i zarejestrować cząsteczkę litowo-helową LiHe. Jest to jedna z najdelikatniejszych znanych cząsteczek. A jego rozmiar jest ponad dziesięciokrotnie większy niż rozmiar cząsteczek wody.

Jak wiadomo, neutralne atomy i cząsteczki mogą tworzyć ze sobą mniej lub bardziej stabilne wiązania na trzy sposoby. Po pierwsze, za pomocą wiązań kowalencyjnych, gdy dwa atomy dzielą jedną lub więcej wspólnych par elektronów. Wiązania kowalencyjne są najsilniejsze z trzech. Charakterystyczna energia ich zerwania jest zwykle równa kilku elektronowoltom.

Wyraźnie słabsze kowalencyjne wiązania wodorowe. Jest to przyciąganie, które zachodzi między związanym atomem wodoru a elektroujemnym atomem innej cząsteczki (zwykle takim atomem jest tlen lub azot, rzadziej fluor). Pomimo tego, że energia wiązań wodorowych jest setki razy mniejsza niż wiązań kowalencyjnych, to one w dużej mierze decydują o właściwościach fizycznych wody, a także odgrywają kluczową rolę w świecie organicznym.

Wreszcie najsłabsza jest tak zwana interakcja van der Waalsa. Czasami nazywa się to również rozproszonym. Powstaje w wyniku oddziaływania dipol-dipol dwóch atomów lub cząsteczek. W takim przypadku dipole mogą być nieodłączne w cząsteczkach (na przykład woda ma moment dipolowy) lub być indukowane w wyniku interakcji.

Charakterystyczna energia wiązania van der Waalsa to jednostki kelwinów (wspomniany powyżej elektronowolt odpowiada około 10 000 kelwinów). Najsłabszym z van der Waalsa jest sprzężenie między dwoma indukowanymi dipolami. Jeśli istnieją dwa niepolarne atomy, to w wyniku ruchu termicznego każdy z nich ma pewien losowo oscylujący moment dipolowy (powłoka elektronowa jakby lekko drży względem jądra). Te momenty, oddziałując ze sobą, w rezultacie mają przeważnie taką orientację, że dwa atomy zaczynają się przyciągać.

Najbardziej obojętnym ze wszystkich atomów jest hel. Nie wchodzi w wiązania kowalencyjne z żadnym innym atomem. Jednocześnie wartość jego polaryzowalności jest bardzo mała, to znaczy trudno jest mu tworzyć wiązania rozproszone. Jest jednak jedna ważna okoliczność. Elektrony w atomie helu są tak silnie związane z jądrem, że można je bardzo zbliżyć do innych atomów bez obawy o siły odpychające - na odległość rzędu promienia tego atomu. Siły rozproszone rosną bardzo szybko wraz ze zmniejszaniem się odległości między atomami - odwrotnie proporcjonalnie do szóstej potęgi odległości!

Stąd narodził się pomysł: jeśli zbliżysz do siebie dwa atomy helu, to mimo wszystko powstanie między nimi kruche wiązanie van der Waalsa. Rzeczywiście zrealizowano to w połowie lat 90., choć wymagało to sporego wysiłku. Energia takiego wiązania to zaledwie 1 mK, a cząsteczkę He2 wykryto w niewielkich ilościach w przechłodzonych dżetach helu.

Jednocześnie właściwości cząsteczki He2 są pod wieloma względami wyjątkowe i niezwykłe. A więc na przykład jego rozmiar to… około 5 nm! Dla porównania wielkość cząsteczki wody wynosi około 0,1 nm. Jednocześnie minimalna energia potencjalna cząsteczki helu spada na znacznie krótszą odległość - około 0,2 nm - jednak przez większość czasu - około 80% - atomy helu w cząsteczce spędzają w trybie tunelowania, czyli w region, w którym znajdują się w ramach mechaniki klasycznej, nie mógł.

Kolejnym największym atomem po helu jest lit, więc po uzyskaniu cząsteczki helu, naturalnym stało się zbadanie możliwości ustalenia połączenia helu z litem. I teraz wreszcie naukowcom udało się to zrobić. Cząsteczka lit-hel LiHe ma wyższą energię wiązania niż hel-hel - 34 ± 36 mK, a odległość między atomami jest mniejsza - około 2,9 nm. Jednak nawet w tej cząsteczce atomy przez większość czasu znajdują się w klasycznie zabronionych stanach pod barierą energetyczną. Co ciekawe, studnia potencjału dla cząsteczki LiHe jest tak mała, że może istnieć tylko w jednym stanie energii wibracyjnej, który w rzeczywistości jest rozszczepieniem dubletu ze względu na spin atomu 7Li. Jego stała rotacji jest tak duża (około 40 mK), że wzbudzenie widma rotacyjnego prowadzi do zniszczenia cząsteczki.

Brett Esry/Kansas State University

Uzyskane dotychczas wyniki są interesujące jedynie z fundamentalnego punktu widzenia. Jednak już teraz interesują się pokrewnymi dziedzinami nauki. W ten sposób skupiska helowe wielu cząstek mogą stać się narzędziem do badania skutków opóźnienia w próżni Casimira. Badanie interakcji hel-hel jest również ważne dla chemii kwantowej, która mogłaby przetestować swoje modele w tym układzie. I oczywiście nie ma wątpliwości, że naukowcy wymyślą inne ciekawe i ważne zastosowania dla tak ekstrawaganckich obiektów, jak molekuły He2 i LiHe.

Rosyjscy i zagraniczni chemicy deklarują możliwość istnienia dwóch stabilnych związków najbardziej „ksenofobicznego” pierwiastka - helu, i eksperymentalnie potwierdzili istnienie jednego z nich - helidu sodu, zgodnie z artykułem opublikowanym w czasopiśmie Nature Chemistry.

Tajemnice gazów szlachetnych

Korzystając z tego samego systemu, USPEX, naukowcy rosyjscy i zagraniczni odkryli, że przy ultrawysokich ciśnieniach przewyższających ciśnienie atmosferyczne o 150 tysięcy i milion razy, jednocześnie występują dwa stabilne związki helu - oksygelid sodu i helid sodu. Pierwszy związek składa się z dwóch atomów sodu i jednego atomu helu, podczas gdy drugi składa się z tlenu, helu i dwóch atomów sodu.

Atom na diamentowym kowadle

Mam nadzieję, że wszyscy odwiedzili zoo przynajmniej raz. Spacerujesz i podziwiasz zwierzęta siedzące w klatkach. Teraz również udamy się w podróż po niesamowitym „zoo”, tylko w komórkach nie będą znajdować się zwierzęta, a różne atomy. To „zoo” nosi imię swojego twórcy Dmitrija Iwanowicza Mendelejewa i nazywa się „Tabelą Okresową Pierwiastków Chemicznych” lub po prostu „Tabelą Mendelejewa”.

W prawdziwym zoo w jednej klatce może mieszkać kilka zwierząt o tej samej nazwie, na przykład w jednej klatce umieszcza się rodzinę królików, w drugiej rodzinę lisów. A w naszym "zoo" w komórce "siedzące" atomy-krewni, naukowo - izotopy. Jakie atomy są uważane za krewnych? Fizycy ustalili, że każdy atom składa się z jądra i powłoki elektronowej. Z kolei jądro atomu składa się z protonów i neutronów. Tak więc jądra atomów u „krewnych” zawierają tę samą liczbę protonów i inną liczbę neutronów.

W tej chwili ostatnim w tabeli jest livermorium, wpisane w ramkę pod numerem 116. Tyle pierwiastków, a każdy ma swoją historię. W nazwach jest wiele ciekawych rzeczy. Z reguły nazwę pierwiastka nadał naukowiec, który go odkrył, a dopiero od początku XX wieku nazwy nadaje Międzynarodowe Stowarzyszenie Chemii Podstawowej i Stosowanej.

Wiele elementów nosi imię starożytnych greckich bogów i bohaterów mitów, wielkich naukowców. Istnieją nazwy geograficzne, w tym związane z Rosją.

Istnieje legenda, że Mendelejew miał szczęście - po prostu marzył o stole. Być może. Ale wielki francuski naukowiec Blaise Pascal zauważył kiedyś, że tylko przygotowane umysły dokonują przypadkowych odkryć. A tym, kto przygotował umysł na spotkanie z układem okresowym, był Dmitrij Iwanowicz, ponieważ pracował nad tym problemem od wielu lat.

A teraz ruszajmy w drogę!

Wodór (H)

Wodór „żyje” w komórce numer 1 naszego zoo. Tak nazwał go wielki naukowiec Antoine Lavoisier. Nadał temu elementowi nazwę wodoro(z greckiego ὕδωρ - „woda” i korzeń -γεν- „rodzić”), co oznacza „rodzić wodę”. Rosyjski fizyk i chemik Michaił Fiodorowicz Sołowiow przetłumaczył tę nazwę na rosyjski - wodór. Wodór oznaczany jest literą H, jest to jedyny pierwiastek, którego izotopy mają własne nazwy: 1H - prot, 2H - deuter, 3H - tryt, 4H - quadium, 5H - pentium, 6H - heks i 7 H - septium ( indeks górny oznacza całkowitą liczbę protonów i neutronów w jądrze atomu).

Prawie cały nasz Wszechświat składa się z wodoru - stanowi on 88,6% wszystkich atomów. Kiedy obserwujemy Słońce na niebie, widzimy ogromną kulę wodoru.

Wodór jest najlżejszym gazem i wydaje się, że napełnianie balonów jest dla nich korzystne, ale jest wybuchowy i wolą nie zadzierać z nim, nawet ze szkodą dla nośności.

Hel (On)

Ogniwo 2 zawiera hel w postaci gazu szlachetnego. Hel otrzymał swoją nazwę od greckiej nazwy Słońca - Ἥλιος (Helios), ponieważ po raz pierwszy odkryto go na Słońcu. Jak to działało?

Nawet Isaac Newton odkrył, że światło, które widzimy, składa się z oddzielnych linii o różnych kolorach. W połowie XIX wieku naukowcy ustalili, że każda substancja ma swój własny zestaw takich linii, tak jak każda osoba ma swoje odciski palców. Tak więc w promieniach Słońca znaleziono jasnożółtą linię, która nie należy do żadnego z wcześniej znanych pierwiastków chemicznych. A zaledwie trzy dekady później hel został znaleziony na Ziemi.

Hel jest gazem obojętnym. Inna nazwa to gazy szlachetne. Takie gazy nie palą się, więc wolą napełniać nimi balony, chociaż hel jest 2 razy cięższy od wodoru, co zmniejsza nośność.

Hel jest rekordzistą. Przechodzi ze stanu gazowego do stanu ciekłego, gdy wszystkie pierwiastki są od dawna stałe: w temperaturze -268,93 ° C i nie przechodzi w stan stały przy normalnym ciśnieniu. Dopiero pod ciśnieniem 25 atmosfer i w temperaturze -272,2 ° C hel staje się stały.

Lit (Li)

Komórka numer 3 jest zajęta przez lit. Lit ma swoją nazwę od greckiego słowa λίθος (kamień), ponieważ pierwotnie znajdował się w minerałach.

Jest tam tak zwane żelazne drzewo, które tonie w wodzie, i jest szczególnie lekki metaliczny lit - wręcz przeciwnie, nie tonie w wodzie. I to nie tylko w wodzie - także w każdej innej cieczy. Gęstość litu jest prawie 2 razy mniejsza niż gęstość wody. W ogóle nie wygląda na metal - jest zbyt miękki. Tak, i długo nie mógł pływać - lit rozpuszcza się z sykiem w wodzie.

Niewielkie dodatki litu zwiększają wytrzymałość i ciągliwość aluminium, co jest bardzo ważne w lotnictwie i rakietach. Gdy nadtlenek litu reaguje z dwutlenkiem węgla, uwalniany jest tlen, który jest używany do oczyszczania powietrza w odizolowanych pomieszczeniach, na przykład na łodziach podwodnych lub statkach kosmicznych.

Beryl (Be)

W komórce numer 4 jest beryl. Nazwa pochodzi od berylu mineralnego - surowca do produkcji metalicznego berylu. Sam Beryl został nazwany na cześć indyjskiego miasta Belur, w pobliżu którego był wydobywany od czasów starożytnych. Kto go wtedy potrzebował?

Przypomnij sobie czarodzieja Szmaragdowego Miasta - Wielkiego i Strasznego Dobrego Wina. Zmusił wszystkich do noszenia zielonych okularów, aby jego miasto wyglądało na „szmaragdowe”, a zatem bardzo bogate. Tak więc szmaragd jest jedną z odmian berylu, niektóre szmaragdy są cenione bardziej niż diament. Tak więc w starożytności wiedzieli, dlaczego rozwijać złoża berylu.

W pięciotomowej encyklopedii „The Universe and Mankind” z 1896 r. wydanie o berylu mówi: „Nie ma praktycznego zastosowania”. I minęło znacznie więcej czasu, zanim ludzie zobaczyli jego niesamowite właściwości. Na przykład beryl przyczynił się do rozwoju fizyki jądrowej. Dopiero po jej napromieniowaniu jądrami helu naukowcy odkryli tak ważną cząstkę elementarną, jaką jest neutron.

Naprawdę wyjątkowy jest stop berylu z miedzią - brąz berylowy. Jeśli większość metali „starze się” z czasem, traci siłę, to brąz berylowy, wręcz przeciwnie, „młodzi” z czasem, jego siła wzrasta. Sprężyny z niego praktycznie się nie zużywają.

Bor (V)

Bohr zajmuje komórkę numer 5. Nie trzeba myśleć, że ten element został nazwany na cześć bramkarza duńskiego klubu piłkarskiego „Akademisk” Nielsa Bohra, późniejszego wielkiego fizyka. Nie, pierwiastek otrzymał swoją nazwę od perskiego słowa „burakh” lub arabskiego słowa „burak” (biały), które oznaczało związek boru - boraksu. Ale wolę wersję, w której „burak” nie jest słowem arabskim, ale czysto ukraińskim słowem po rosyjsku - „burakiem”.

Bor jest bardzo wytrzymałym materiałem, ma najwyższą wytrzymałość na rozciąganie. Jeśli związek boru i azotu zostanie podgrzany do temperatury 1350 ° C pod ciśnieniem 65 tysięcy atmosfer (jest to teraz technicznie osiągalne), wówczas można uzyskać kryształy, które mogą zarysować diament. Materiały ścierne wykonane na bazie związków boru nie ustępują diamentowym, a jednocześnie są znacznie tańsze.

Bor jest zwykle wprowadzany do stopów metali nieżelaznych i żelaznych w celu poprawy ich właściwości. Kombinacje boru z wodorem - borany - są doskonałym paliwem rakietowym, prawie dwukrotnie skuteczniejszym od tradycyjnych. Na bor w rolnictwie jest praca: bor dodaje się do nawozów, ponieważ przy jego braku w glebie plony wielu upraw zauważalnie spadają.

Artysta Anna Gorlach