Litij in helij sta povezana. Presenečenje: Uganite, kateri je tretji najbolj razširjen element v vesolju? Skrivnosti žlahtnih plinov

litij

helij

Helij zaseda drugo mesto v periodnem sistemu za vodikom. Atomska masa helija je 4,0026. Je inerten plin brez barve. Njegova gostota je 0,178 grama na liter. Helij je težje utekočiniti kot vse znane pline le pri temperaturi minus 268,93 stopinj Celzija in se praktično ne strdi. Ohlajen na minus 270,98 stopinj Celzija, helij pridobi superfluidnost. Helij najpogosteje nastane kot posledica razpada velikih atomov. Na Zemlji je porazdeljen v majhnih količinah, na Soncu, kjer prihaja do intenzivnega razpada atomov, pa je veliko helija. Vsi ti podatki so tako rekoč podatki iz potnega lista in so dobro znani.

Opravimo se s topologijami helija in najprej določimo njegove dimenzije. Glede na to, da je atomska masa helija štirikrat večja od vodika, vodikov atom pa 1840-krat težji od elektrona, dobimo maso atoma helija, ki je enaka 7360 elektronom; zato je skupno število eteričnih kroglic v atomu helija približno 22.000; dolžina vrvice atoma in premer prvotnega torusa sta enaka 7360 oziroma 2300 eteričnih kroglic. Da bi vizualizirali razmerje med debelino vrvice prvotnega torusa atoma helija in njegovim premerom, narišemo na list papirja s peresom krog s premerom 370 milimetrov in pustimo sled iz pero ima širino ene tretjine milimetra; dobljeni krog nam bo dal navedeno predstavo. En elektron (vgrajene eterične kroglice) bo na narisanem krogu zasedel le 0,15 milimetra.

Zasukanje prvotnega torusa v končno obliko atoma helija se zgodi na naslednji način. Najprej se krog splošči v oval, nato v obliko dumbbell, nato v osmico, nato pa se zanke osmice razgrnejo, tako da pride do prekrivanja. Mimogrede, prekrivanje večjih atomov ne nastane, kar je razloženo z dejstvom, da dolžina vrvice pri atomu helija še ni velika, in ko se središča vrvice nagibajo k približevanju, se robovi ( zanke) so prisiljeni odpreti. Nadalje se bodo robovi upognili in začeli zbliževati.

Do te točke je topologija atoma helija, kot vidimo, podobna topologiji atoma vodikovega izotopa - tritija, če pa tritij ni imel dovolj moči, da bi zaprl robove (ni bilo dovolj dolžine njeno vrvico), nato se helijeve zanke premikajo ena na drugo in se tako zapirajo. Da bi preverili zanesljivost povezave zank, je dovolj, da sledite lokaciji njihovih sesalnih stranic: za notranjo zanko bo zunaj, za zunanjo zanko pa od znotraj.

Topologijo atomov je zelo priročno predstaviti v obliki žičnih modelov; za to je dovolj, da uporabite zmerno elastično, a dovolj plastično žico. Atom vodika bo upodobljen kot navaden obroč. Povečamo dolžino kosa žice za štirikrat (tolikokrat je atom helija težji od atoma vodika), ga zvijemo v obroč, konca spajkamo in pokažimo postopek zvijanja atoma helija. Pri zvijanju se moramo nenehno spominjati, da polmeri upogibanja ne smejo biti manjši od polmera obroča, ki je atom vodika; je tako rekoč pogoj, ki ga postavlja elastičnost vrvice - torusne lupine. (Spomnimo se, da je bil v naravi najmanjši polmer enak 285 eteričnih kroglic.) Sprejeti najmanjši polmer upogiba določa topologijo vseh atomov; in še to: posledica enakih polmerov upogibanja bodo enake velikosti sesalnih zank (nekakšna njihova standardizacija), zato tvorijo stabilno valenco, ki se izraža v sposobnosti medsebojnega povezovanja različnih atomov. Če bi imeli tečaji različne velikosti, bi bila njihova povezava problematična.

Ko postopek zvijanja žičnega modela atoma helija pripeljemo do konca, ugotovimo, da se prekrivajočih se zank ne potiska ena na drugo, dokler se ne ustavita. Natančneje, najraje bi se zvijali še dlje, a elastičnost vrvice tega ne dopušča, torej pogoj minimalnega polmera. In z vsakim poskusom, da bi se zanke premaknile še dlje, jih bo elastičnost vrvice vrgla nazaj; ko se odbijejo, bodo spet hiteli naprej in spet jih bo elastičnost vrgla nazaj; v tem primeru se bo atom helija nato skrčil, nato zacvetel, torej pride do pulziranja. Pulziranje pa bo ustvarilo stoječe toplotno polje okoli atoma in ga naredilo puhastega; tako smo prišli do zaključka, da je helij plin.

Druge fizikalne in kemijske značilnosti helija je mogoče razložiti tudi na podlagi topologije. Na njegovo inertnost na primer kaže dejstvo, da njegovi atomi nimajo odprtih sesalnih zank niti sesalnih kanalov: sploh se ne more kombinirati z drugimi atomi, zato je vedno atomičen in se praktično ne strdi. Helij nima barve, ker njegovi atomi nimajo ravnih "zvočnih" odsekov vrvic; superfluidnost pa izhaja iz kakršnega koli pomanjkanja viskoznosti (lepljenja atomov), zaobljene oblike in majhne velikosti atoma.

Tako kot vodik atomi helija nimajo enake velikosti: nekateri so večji, drugi so manjši in na splošno zasedajo skoraj ves utežni prostor od vodika (tritija) do litija, ki sledi heliju; manj vzdržljivi izotopi helija so seveda že zdavnaj razpadli, vendar je mogoče prešteti več kot sto, ki obstajajo v tem času.

V periodnem sistemu je helij bolje postaviti ne na konec prvega obdobja - v isti vrstici z vodikom, ampak na začetku drugega obdobja pred litijem, ker je njegov atom, tako kot atomi celotnega obdobja, enojna struktura (enojni glomerul), medtem ko je atom naslednjega inertnega plina, neona, že videti kot parna struktura, ki je po tej lastnosti podobna atomom tretjega obdobja.

Litij zaseda tretjo številko v periodnem sistemu; njegova atomska masa je 6,94; spada med alkalijske kovine. Litij je najlažja od vseh kovin: njegova gostota je 0,53 grama na kubični centimeter. Je srebrno bele barve s svetlim kovinskim sijajem. Litij je mehak in se zlahka reže z nožem. Na zraku hitro zatemni in se združi s kisikom. Tališče litija je 180,5 stopinj Celzija. Znani so litijevi izotopi z atomsko maso 6 in 7. Prvi izotop se uporablja za proizvodnjo težkega vodikovega izotopa, tritija; drugi izotop litija se uporablja kot hladilno sredstvo v kotlih jedrskih reaktorjev. To so splošni fizikalni in kemijski podatki litija.

Začnimo ponovno topologijo litijevih atomov z razumevanjem dimenzij prvotnega torusa. Zdaj vemo, da ima vsak kemični element, vključno z litijem, veliko število izotopov, merjeno v stotinah in tisočih; zato bodo velikosti atomov označene od ... do .... Toda kaj pomenijo te omejitve? Ali jih je mogoče natančno določiti? Ali pa so približne? In kakšno je razmerje med izotopi? Takoj povejmo: enoznačnih odgovorov na zastavljena vprašanja ni; vsakič, ko je treba vdreti v določeno topologijo atomov. Oglejmo si ta vprašanja na primeru litija.

Kot smo opazili, prehod iz protija v helij z vidika topologije poteka sistematično: s povečanjem velikosti začetnega torusa se končna konfiguracija atomov postopoma spreminja. Toda fizikalne in predvsem kemične lastnosti atomov pri prehodu iz protija v helij se spreminjajo več kot bistveno, precej radikalno: od univerzalne privlačnosti protija do popolne inertnosti helija. Kje, na katerem izotopu se je to zgodilo?

Takšni skoki lastnosti so povezani s skoki velikosti izotopov. Velik atom vodika (tritij), ki prevzame obliko atoma helija, se izkaže za radioaktivnega, torej krhkega. To je posledica dejstva, da njeni ukrivljeni robovi zank ne segajo drug drugega in si lahko predstavljamo, kako plapolajo in hitijo proti. Spominjajo na roke dveh ljudi v razhajajočih se čolnih, ki nemočno poskušata doseči in se zgrabiti. Zunanji eterični pritisk bo tako močno pritiskal na konzole plapolajočih zank atomov, da ne bo vodil v dobro; ob celo rahlem dodatnem stiskanju s strani se bodo konzole zlomile - ne bodo vzdržale ostrega upogiba vrvice in atom se bo zrušil; tako se to zgodi. Zato lahko rečemo, da med izotopi opazimo padce na mejah obstoječih fizikalno-kemijskih prehodov: tam preprosto ni izotopov.

Podobna vrzel obstaja med helijem in litijem: če atom ni več helij, vendar še ni litij, potem je krhek in ga že dolgo ni bilo v zemeljskih razmerah. Zato je litijev izotop z atomsko težo šest, torej z dolžino torusne vrvice 11 eteričnih kroglic, zelo redek in se, kot rečeno, uporablja za pridobivanje tritija: enostavno ga je zlomiti, skrajšati in dobiti posledično izotop vodika.

Tako smo se, kot kaže, odločili za najmanjšo velikost litijevega atoma: to je 11 vezanih elektronov. Kar zadeva njegovo zgornjo mejo, je tu nekaj zagate: dejstvo je, da se po topologiji litijev atom ne razlikuje veliko od atoma naslednjega atoma berilija (to bomo kmalu videli) in ni izotopov kateri koli element brez okvare. Zato zaenkrat ne bomo označevali zgornje meje velikosti litijevega atoma.

Spremljajmo nastanek litijevega atoma. Začetni krog novonastalega mikrovorteksa z zgoraj navedenimi dimenzijami se bo spremenil v oval; samo v litiju je oval zelo dolg: približno 8-krat daljši od premera končnega zaokroževanja (prihodnja zanka); je zelo podolgovat oval. Začetek strjevanja litijevega atoma je podoben istemu začetku za velike atome vodika in za helij, vendar potem pride do odstopanja: osmica s prekrivanjem, torej z zavojem zank, se ne pojavi ; nadaljnjo konvergenco dolgih stranic (vrvice) ovala, dokler niso v popolnem stiku, spremlja hkratno upogibanje koncev drug proti drugemu.

Zakaj se osmica s prekrivanjem ne oblikuje? Najprej zato, ker je oval zelo dolg in tudi njegov popoln upogib v bučici, dokler se vrvi ne dotaknejo na sredini, ne povzroči, da se močno upognejo; zato je potencial za obrat skrajnih zank zelo šibek. In drugič, začetek upogibanja koncev ovala do neke mere nasprotuje obratu. Z drugimi besedami: aktivni moment sil, ki težijo k obračanju končnih zank, je zelo majhen, moment upora proti zavoju pa velik.

Zaradi jasnosti bomo uporabili gumijaste obroče, na primer tiste, ki se uporabljajo v strojnih tesnilih. Če stisnete obroč majhnega premera, se bo zagotovo s prekrivanjem zvil v osmico; in če izberete obroč velikega premera, potem njegovo stiskanje, dokler vrvi niso v polnem stiku, ne povzroči zasuka končnih zank. Mimogrede: ti gumijasti obroči so zelo priročni tudi za modeliranje topologije atomov; če jih je seveda široka paleta.

Upogibanje koncev ovala je, kot že vemo, posledica motnje etra med njima: ko se nekoliko odmakneta od idealno ravnega položaja, se bosta že prisiljena približati, dokler se popolnoma ne dotakneta. To pomeni, da koncev ni mogoče upogniti v različne smeri. Toda s smerjo upogiba imajo izbiro: bodisi tako, da so sesalne strani končnih zank zunaj ali znotraj. Prva varianta je bolj verjetna, ker bo trenutek od odbojnih sil vrtečih se lupin vrvice iz sosednjega etra na zunanjih točkah zank večji kot na notranjih.

Približajoče se stranice ovala bodo zelo kmalu prišle v stik, lok vrvi se bo razširil od središča do koncev in se ustavil šele, ko se na koncih končno oblikujejo zanke z najmanjšimi dovoljenimi polmeri upogibanja. Hkratni zavoji in medsebojno zbliževanje teh zank vodijo do trka njihovih oglišč, po katerem pridejo v poštev njihove sesalne strani: zanke, sesanje, se potopijo globoko; in proces oblikovanja konfiguracije litijevega atoma se zaključi z dejstvom, da se pomaknjene zanke s svojimi oglišči naslanjajo na seznanjene vrvice točno v središču strukture. Na daljavo je ta konfiguracija atoma podobna srcu ali, natančneje, jabolku.

Prvi sklep se namiguje sam od sebe: litijev atom se začne, ko vrhovi parnih primarnih zank, ki so se potopili v strukturo, dosežejo vrvice sredine atoma. In pred tem še vedno ni bil litij, ampak nek drug element, ki ga zdaj v naravi ni več; njen atom je bil izjemno nestabilen, zelo močno je pulziral, zato je bil puhast in je spadal med pline. Toda atom samega začetnega litijevega izotopa (opredeljevali smo ga kot sestavljenega iz 11.000 vezanih elektronov) se tudi izkaže, da ni zelo močan: polmeri upogiba njegovih zank so omejujoči, to pomeni, da so elastične vrvice upognjene do meje, in ob kakršnem koli zunanjem vplivu so pripravljeni počiti. Pri večjih atomih je ta šibka točka odpravljena.

Če na podlagi rezultatov topologije predstavljamo podobo litijevega atoma, lahko ocenimo, kaj se je zgodilo. Dve primarni zanki sta se zaprli in nevtralizirali, nevtralizirani pa so bili tudi sekundarni zanki na obeh straneh primarnih zank. Seznanjene vrvice so ustvarile utor in ta utor poteka vzdolž celotne konture atoma - tako rekoč zaprt v obroču - in izkazalo se je, da je njegova sesalna stran zunaj. Iz tega sledi, da se litijevi atomi lahko združujejo med seboj in z drugimi atomi le s pomočjo svojih sesalnih utorov; litijev atom ne more tvoriti molekularne spojine zanke.

Močno konveksna sesalna korita litijevih atomov se lahko med seboj povežejo le v kratkih odsekih (teoretično na točkah), zato se izkaže, da je prostorska struktura med seboj povezanih litijevih atomov zelo ohlapna in redka; od tod tudi nizka gostota litija: skoraj dvakrat je lažji od vode.

litij - kovina; njegove kovinske lastnosti izhajajo iz posebnosti oblik njegovih atomov. Lahko rečemo drugače: tiste posebne lastnosti litija, ki so posledica posebnih oblik njegovih atomov in zaradi katerih se fizično in kemično razlikuje od drugih snovi, imenujemo kovinske; Poglejmo si nekaj izmed njih:

električna prevodnost: izhaja iz dejstva, da so atomi obročasti iz parnih vrvic, ki ustvarjajo sesalna korita, se odpirajo navzven, objemajo atome vzdolž konture in se zapirajo vase; elektroni, prilepljeni na te utore, se lahko prosto gibljejo vzdolž njih (še enkrat spomnimo, da se težave pojavijo, ko se elektroni ločijo od atomov); in ker so atomi med seboj povezani z istimi žlebovi, potem imajo elektroni sposobnost skakanja od atoma do atoma, torej premikanja po telesu;

toplotna prevodnost: elastično ukrivljene vrvice atoma tvorijo izjemno togo elastično strukturo, ki praktično ne absorbira nizkofrekvenčnih velikih amplitud (toplotnih) udarcev sosednjih atomov, ampak jih prenaša naprej; in če ne bi bilo možnih motenj v njihovih stikih (dislokacij) v debelini atomov, bi se toplotni val širil z veliko hitrostjo;
sijaj: visokofrekvenčni udarci nizke amplitude svetlobnih valov etra se zlahka odbijejo od napeto upognjenih vrvic atomov in odidejo, pri čemer upoštevajo zakone odboja valov; litijev atom nima ravnih odsekov vrvic, zato nima lastnega "zvoka", torej nima svoje barve - litij je zato srebrno bel z močnim sijajem na odsekih;
plastičnost: zaobljeni litijevi atomi se lahko na kakršen koli način povežejo med seboj; lahko se, ne da bi se zlomili, prevrnejo drug čez drugega; in to se izraža v dejstvu, da lahko telo iz litija spremeni svojo obliko, ne da bi pri tem izgubilo svojo celovitost, torej je plastično (mehko); posledično se litij brez večjih težav reže z nožem.

Na primeru opaženih fizičnih lastnosti litija lahko razjasnimo sam koncept kovine: kovina je snov, sestavljena iz atomov z ostro ukrivljenimi vrvicami, ki tvorijo oblikovana sesalna korita, odprta navzven; atomi izrazitih (alkalnih) kovin nimajo odprtih sesalnih zank in ravnih ali gladko ukrivljenih odsekov kabla. Zato se litij v normalnih pogojih ne more kombinirati z vodikom, saj je atom vodika zanka. Njihova povezava je lahko le hipotetična: v globokem mrazu, ko se vodik strdi, se lahko njegove molekule povežejo z atomi litija; a vse kaže, da bi bila njihova zlitina mehka kot sam litij.

Hkrati pojasnjujemo koncept plastičnosti: plastičnost kovin je določena z dejstvom, da se lahko njihovi zaobljeni atomi kotalijo drug čez drugega, spreminjajo relativni položaj, vendar brez izgube stika med seboj.

Berilij zaseda četrto mesto v periodnem sistemu. Njegova atomska masa je 9,012. Je svetlo siva kovina z gostoto 1,848 gramov na kubični centimeter in tališčem 1284 stopinj Celzija; je trda in hkrati krhka. Konstrukcijski materiali na osnovi berilija so lahki, močni in odporni na visoke temperature. Berilijeve zlitine, ki so 1,5-krat lažje od aluminija, so kljub temu močnejše od številnih posebnih jekel. Svojo moč ohranijo do temperature 700 ... 800 stopinj Celzija. Berilij je odporen na sevanje.

Kot je razvidno, se po svojih fizikalnih lastnostih berilij zelo razlikuje od litija, po topologiji atomov pa se skoraj ne razlikujejo; edina razlika je v tem, da je atom berilija tako rekoč "zašit z robom": če je litijev atom podoben tesni obleki šolarja na odraslega, potem je atom berilija, nasprotno, prostorna obleka odrasla oseba na otroški podobi. Presežna dolžina vrvice atoma berilija, z enako konfiguracijo kot litij, tvori bolj nežen obris s polmeri upogibanja, ki presegajo minimalne kritične. Takšna "rezerva" ukrivljenosti za atome berilija omogoča njihovo deformacijo do meje upogibanja filamenta.

Topološka podobnost atomov litija in berilija kaže, da med njima ni jasne meje; in nemogoče je reči, kateri je največji atom litija in kateri najmanjši atom berilija. Če se osredotočimo samo na tabelarno atomsko težo (in povprečje vse vrednosti), lahko domnevamo, da je vrvica srednje velikega atoma berilija sestavljena iz približno 16.500 vezanih elektronov. Zgornja meja velikosti atomov izotopa berilija temelji na najmanjši velikosti atoma naslednjega elementa - bora, katerega konfiguracija se močno razlikuje.

Meja ukrivljenosti vrvic atomov berilija vpliva predvsem na njihovo medsebojno povezavo v trenutku strjevanja kovine: drug na drugega ne mejijo kratki (pikčasti) odseki, kot pri litiju, ampak dolge meje; konture atomov se tako rekoč prilagajajo drug drugemu, deformirajo in oprimejo drug drugega na največji možni način; tako da so te povezave zelo močne. Atomi berilija kažejo svojo moč krepitve tudi v spojinah z atomi drugih kovin, torej v zlitinah, v katerih se berilij uporablja kot dodatek težkim kovinam: zapolnjuje praznine in se s svojimi gibkimi utori lepi na atome navadne kovine, atome berilija. drži jih skupaj kot lepilo, zaradi česar je zlitina zelo trpežna. Iz tega sledi trdnost kovin je določena z dolžino zlepljenih odsekov sesalnih korit atomov: Daljši kot so ti odseki, močnejša je kovina. Uničenje kovin vedno poteka vzdolž površine z najkrajšimi lepljivimi odseki.

Meja upogibnih polmerov vrvic atomov berilija omogoča njihovo deformacijo brez spreminjanja povezav med njimi; posledično je celotno telo deformirano; to je elastična deformacija. Elastičen je, ker imajo atomi v katerem koli začetnem stanju najmanj obremenjene oblike, in ko so deformirani, so prisiljeni prenašati nekaj »nevšečnosti«; in takoj ko deformirajoča sila izgine, se atomi vrnejo v prvotna, manj obremenjena stanja. zato elastičnost kovine je določena s presežno dolžino vrvic njenih atomov, kar omogoča njihovo deformacijo brez spreminjanja območij medsebojne povezave.

Elastičnost berilija je povezana z njegovo toplotno odpornostjo; izraža se v tem, da se lahko toplotna gibanja atomov pojavijo v mejah elastičnih deformacij, ki ne povzročajo spremembe v spojinah atomov med seboj; tako na splošno določi se toplotna odpornost kovine, pa tudi elastičnost, presežne dolžine vrvic njegovih atomov. Zmanjšanje trdnosti kovine pri visokem segrevanju je razloženo z dejstvom, da toplotni premiki njenih atomov zmanjšajo območja njihovih medsebojnih povezav; in ko ta področja popolnoma izginejo, se kovina stopi.

Elastičnost berilija spremlja njegova krhkost. Krhkost lahko v splošnem primeru obravnavamo kot nasprotje plastičnosti: če se plastičnost izraža v sposobnosti atomov, da spremenijo svoje medsebojne položaje ob ohranjanju povezovalnih območij, se krhkost izraža predvsem v dejstvu, da atomi ne imajo takšno možnost. Do kakršnega koli medsebojnega premika atomov krhkega materiala lahko pride le, če so njihove vezi popolnoma pretrgane; ti atomi nimajo drugih variant spojin. V elastičnih materialih (v kovinah) je za krhkost značilno tudi dejstvo, da je tako rekoč skakanje: razpoka, ki je nastala kot posledica prevelikih napetosti, se bliskovito širi po celotnem prerezu telesa. Za primerjavo: opeka pod udarci kladiva se lahko zruši (to je tudi krhkost), vendar se ne razcepi. "Skačujoča" krhkost berilija je razložena z dejstvom, da njegovi atomi med seboj niso najbolje povezani in so vsi pod stresom; in takoj, ko je ena vez prekinjena, se mejni atomi hitro začnejo »poravnati« v škodo povezav s sosedi; tudi vezi slednjih se bodo začele rušiti; in ta proces bo imel verižni značaj. zato krhkost elastičnih kovin je odvisna od stopnje deformacije medsebojno povezanih atomov in od nezmožnosti spreminjanja vezi med njimi.

Odpornost berilija na sevanje je razložena z enako rezervo v velikosti njegovih atomov: vrvica atoma berilija ima sposobnost, da vzmetne pod močnim sevanjem, ne doseže svoje kritične ukrivljenosti in tako ostane nedotaknjena.

In svetlo sivo barvo berilija in odsotnost svetlega kovinskega sijaja, kot je na primer litij, je mogoče razložiti na enak način: svetlobni valovi etra, ki padajo na netoge vrvice površinskih atomov berilija, jih absorbirajo, le del valov pa se odbije in ustvari razpršeno svetlobo.

Gostota berilija je skoraj štirikrat večja od gostote litija samo zato, ker je gostota vrvic njegovih atomov večja: med seboj niso povezani na točkah, ampak v dolgih odsekih. Hkrati je berilij v svoji neprekinjeni masi precej ohlapna snov: le dvakrat je gostejši od vode.

MOSKVA, 6. februarja - RIA Novosti. Ruski in tuji kemiki razglašajo možnost obstoja dveh stabilnih spojin najbolj "ksenofobnega" elementa - helija in eksperimentalno potrdili obstoj enega od njih - natrijevega helida, je razvidno iz članka, objavljenega v reviji Nature Chemistry.

"Ta študija dokazuje, kako lahko z najsodobnejšimi teoretičnimi in eksperimentalnimi metodami odkrijemo popolnoma nepričakovane pojave. Naše delo še enkrat ponazarja, kako malo danes vemo o vplivu ekstremnih razmer na kemijo in o vlogi takšnih pojavov na procese znotraj planetov še je treba pojasniti,« pravi Artem Oganov, profesor na Skoltechu in Moskovskem Phystechu v Dolgoprudnem.

Skrivnosti žlahtnih plinov

Primarna snov vesolja, ki je nastala nekaj sto milijonov let po velikem poku, je bila sestavljena iz le treh elementov - vodika, helija in litija v sledovih. Helij je še danes tretji najpogostejši element v vesolju, vendar je na Zemlji izjemno redek, zaloge helija na planetu pa se zaradi dejstva, da uhaja v vesolje, nenehno zmanjšujejo.

Posebnost helija in drugih elementov osme skupine periodnega sistema, ki jih znanstveniki imenujejo "žlahtni plini", je v tem, da so izredno zadržani - v primeru ksenona in drugih težkih elementov - ali načeloma, kot neon, so ne morejo vstopiti v kemične reakcije. Obstaja le nekaj deset spojin ksenona in kriptona s fluorom, kisikom in drugimi močnimi oksidanti, nič spojin neona in ena spojina helija, odkritih eksperimentalno leta 1925.

Ta spojina, združitev protona in helija, ni prava kemična spojina v ožjem pomenu besede - helij v tem primeru ne sodeluje pri tvorbi kemičnih vezi, čeprav vpliva na obnašanje vodikovih atomov, ki so prikrajšani za elektron. Kot so že prej domnevali kemiki, bi morali v medzvezdnem mediju najti "molekule" te snovi, a jih v zadnjih 90 letih astronomi niso odkrili. Možen razlog za to je, da je ta ion zelo nestabilen in se uniči ob stiku s skoraj katero koli drugo molekulo.

Artem Oganov in njegova ekipa sta se spraševala, ali bi helijeve spojine lahko obstajale v eksotičnih pogojih, o katerih kopenski kemiki le redko razmišljajo – pri ultravisokih tlakih in temperaturah. Oganov in njegovi sodelavci že dolgo preučujejo tako "eksotično" kemijo in so celo razvili poseben algoritem za iskanje snovi, ki obstajajo v takšnih pogojih. Z njegovo pomočjo so odkrili, da lahko v globinah plinskih velikanov in nekaterih drugih planetov obstaja eksotična ortokarbonska kislina, "nemogoče" različice navadne kuhinjske soli in številne druge spojine, ki "kršijo" zakone klasične kemije.

Z uporabo istega sistema so USPEX, ruski in tuji znanstveniki ugotovili, da pri ultravisokih tlakih, ki presegajo atmosferski tlak za 150 tisoč in milijonkrat, obstajata dve stabilni helijevi spojini naenkrat - natrijev helid in natrijev oksigelid. Prva spojina je sestavljena iz dveh atomov natrija in enega atoma helija, druga pa iz kisika, helija in dveh natrijevih atomov.

Super visok tlak je povzročil, da je sol 'kršila' pravila kemijeAmeriško-ruski in evropski kemiki so navadno kuhinjsko sol spremenili v kemično "nemogočo" spojino, katere molekule so organizirane v eksotične strukture z različnim številom atomov natrija in klora.

Atom na diamantnem nakovalu

Oba tlaka je mogoče zlahka doseči s sodobnimi diamantnimi nakovali, kar so Oganovi sodelavci naredili pod vodstvom drugega Rusa, Aleksandra Gončarova iz geofizičnega laboratorija v Washingtonu. Kot so pokazali njegovi poskusi, natrijev gelid nastane pri tlaku približno 1,1 milijona atmosfer in ostane stabilen do vsaj 10 milijonov atmosfer.

Zanimivo je, da je natrijev helid po strukturi in lastnostih podoben fluorovim solim, helijevim "sosedom" v periodnem sistemu. Vsak atom helija v tej "soli" je obdan z osmimi natrijevimi atomi, podobno strukturi kalcijevega fluorida ali katere koli druge soli fluorovodikove kisline. Elektroni v Na2He so tako močno "privlačeni" na atome, da je ta spojina za razliko od natrija izolator. Znanstveniki takšne strukture imenujejo ionski kristali, saj imajo elektroni vlogo in mesto negativno nabitih ionov v njih.

MIPT: črevesje Neptuna in Urana lahko vsebuje "Hitlerjevo kislino"Kemiki z Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo ter Skoltecha domnevajo, da lahko globine Urana in Neptuna vsebujejo plast eksotične snovi - ortokarbonske kisline, tako imenovane "Hitlerjeve kisline".

"Spojina, ki smo jo odkrili, je zelo nenavadna: čeprav atomi helija ne sodelujejo neposredno v kemični vezi, njihova prisotnost bistveno spremeni kemične interakcije med natrijevimi atomi, kar prispeva k močni lokalizaciji valenčnih elektronov, zaradi česar je nastali material izolator," pojasnjuje Xiao Dong z univerze Nankan v Tianjinu (Kitajska).

Druga spojina, Na2HeO, se je izkazala za stabilno v območju tlaka od 0,15 do 1,1 milijona atmosfer. Snov je tudi ionski kristal in ima strukturo podobno Na2He, le vlogo negativno nabitih ionov v njih ne igrajo elektroni, temveč atomi kisika.

Zanimivo je, da je pri vseh drugih alkalijskih kovinah, ki imajo višjo reaktivnost, veliko manj verjetno, da tvorijo spojine s helijem pri tlakih, ki presegajo atmosferski tlak za največ 10 milijonov krat.

Ruski znanstveniki so modelirali notranjost eksoplanetov-super-ZemeljSkupina strokovnjakov z Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo je poskušala ugotoviti, katere spojine lahko pri visokih tlakih tvorijo silicij, kisik in magnezij. Znanstveniki trdijo, da so ti elementi osnova kemije Zemlje in zemeljskih planetov.

Oganov in njegovi sodelavci to pripisujejo dejstvu, da se orbite, po katerih se gibljejo elektroni v atomih kalija, rubidija in cezija, opazno spreminjajo z naraščajočim tlakom, kar se pri natriju ne zgodi, iz razlogov, ki še niso jasni. Znanstveniki verjamejo, da je natrijev gelid in druge podobne snovi mogoče najti v jedrih nekaterih planetov, belih pritlikavk in drugih zvezd.

Znanstveniki so uspeli pridobiti in registrirati molekulo litij-helija LiHe. Je ena najbolj krhkih znanih molekul. In njegova velikost je več kot desetkrat večja od velikosti molekul vode.

Kot je znano, lahko nevtralni atomi in molekule med seboj tvorijo bolj ali manj stabilne vezi na tri načine. Prvič, s pomočjo kovalentnih vezi, ko si dva atoma delita en ali več skupnih elektronskih parov. Kovalentne vezi so najmočnejše od vseh treh. Značilna energija njihovega preloma je običajno enaka več elektron voltov.

Bistveno šibkejše kovalentne vodikove vezi. To je privlačnost, ki se pojavi med vezanim atomom vodika in elektronegativnim atomom druge molekule (običajno je tak atom kisik ali dušik, redkeje fluor). Kljub dejstvu, da je energija vodikovih vezi stokrat manjša od kovalentnih vezi, so prav te tiste, ki v veliki meri določajo fizikalne lastnosti vode in igrajo ključno vlogo v organskem svetu.

Končno, najšibkejša je tako imenovana van der Waalsova interakcija. Včasih se imenuje tudi razpršena. Nastane kot posledica dipol-dipolne interakcije dveh atomov ali molekul. V tem primeru so lahko dipoli lastni molekulam (na primer voda ima dipolni moment) ali pa so inducirani kot posledica interakcije.

Značilna energija van der Waalsove vezi je enote kelvina (zgoraj omenjeni elektronski volt ustreza približno 10.000 kelvinov). Najšibkejši od van der Waalsovih je sklop med dvema induciranima dipoloma. Če obstajata dva nepolarna atoma, ima vsak od njih zaradi toplotnega gibanja določen naključno nihajoči dipolni moment (elektronska lupina tako rekoč rahlo trepeta glede na jedro). Ti trenutki, ki medsebojno delujejo, imajo posledično večinoma takšne usmeritve, da se dva atoma začneta privlačiti.

Najbolj inerten od vseh atomov je helij. Ne vstopa v kovalentne vezi z nobenim drugim atomom. Hkrati je vrednost njegove polarizabilnosti zelo majhna, to pomeni, da težko tvori razpršene vezi. Obstaja pa ena pomembna okoliščina. Elektroni v atomu helija so tako močno vezani na jedro, da ga je mogoče brez strahu pred odbojnimi silami približati drugim atomom – do razdalje reda polmera tega atoma. Razpršene sile rastejo zelo hitro z zmanjševanjem razdalje med atomi – obratno sorazmerno s šesto potenco razdalje!

Zato se je rodila ideja: če dva atoma helija približate drug drugemu, bo med njima kljub temu nastala krhka van der Waalsova vez. To je bilo res realizirano sredi devetdesetih let prejšnjega stoletja, čeprav je zahtevalo precej truda. Energija takšne vezi je le 1 mK, molekula He2 pa je bila zaznana v majhnih količinah v prehlajenih helijevih curkih.

Hkrati so lastnosti molekule He2 v mnogih pogledih edinstvene in nenavadne. Torej je na primer njegova velikost ... približno 5 nm! Za primerjavo, velikost molekule vode je približno 0,1 nm. Hkrati minimalna potencialna energija molekule helija pade na veliko krajšo razdaljo - približno 0,2 nm - vendar večino časa - približno 80 % - atomi helija v molekuli preživijo v tunelskem načinu, tj. regija, kjer se nahajajo v okviru klasične mehanike, ni mogla.

Naslednji največji atom za helijem je litij, zato je po pridobitvi molekule helija postalo naravno preučiti možnost fiksiranja povezave med helijem in litijem. In zdaj je to končno uspelo znanstvenikom. Molekula litij-helij LiHe ima višjo energijo vezave kot helij-helij - 34 ± 36 mK, razdalja med atomi pa je, nasprotno, manjša - približno 2,9 nm. Vendar pa so tudi v tej molekuli atomi večino časa v klasično prepovedanih stanjih pod energijsko pregrado. Zanimivo je, da je potencialna vrtina za molekulo LiHe tako majhna, da lahko obstaja samo v enem vibracijskem energijskem stanju, ki je pravzaprav dvojni razcep zaradi vrtenja atoma 7Li. Njegova vrtilna konstanta je tako velika (približno 40 mK), da vzbujanje rotacijskega spektra vodi v uničenje molekule.

Brett Esry/Kansas State University

Zaenkrat so dobljeni rezultati zanimivi le s temeljnega vidika. So pa že zanimivi za sorodna področja znanosti. Tako lahko helijevi grozdi številnih delcev postanejo orodje za preučevanje učinkov zamude v Casimirjevem vakuumu. Študija interakcije helija in helija je pomembna tudi za kvantno kemijo, ki bi lahko testirala svoje modele na tem sistemu. In seveda ni dvoma, da bodo znanstveniki prišli do drugih zanimivih in pomembnih aplikacij za tako ekstravagantne predmete, kot sta molekule He2 in LiHe.

Ruski in tuji kemiki razglašajo možnost obstoja dveh stabilnih spojin najbolj "ksenofobnega" elementa - helija in eksperimentalno potrdili obstoj enega od njih - natrijevega helida, je razvidno iz članka, objavljenega v reviji Nature Chemistry.

Skrivnosti žlahtnih plinov

Z uporabo istega sistema so USPEX, ruski in tuji znanstveniki ugotovili, da pri ultravisokih tlakih, ki presegajo atmosferski tlak za 150 tisoč in milijonkrat, obstajata dve stabilni helijevi spojini naenkrat - natrijev oksigelid in natrijev helid. Prva spojina je sestavljena iz dveh atomov natrija in enega atoma helija, druga pa iz kisika, helija in dveh natrijevih atomov.

Atom na diamantnem nakovalu

Upam, da je vsak vsaj enkrat obiskal živalski vrt. Hodite in občudujete živali, ki sedijo v kletkah. Zdaj se bomo podali tudi na potovanje po neverjetnem "živalskem vrtu", le da v celicah ne bodo živali, ampak različni atomi. Ta "živalski vrt" nosi ime svojega ustvarjalca Dmitrija Ivanoviča Mendelejeva in se imenuje "periodična tabela kemičnih elementov" ali preprosto "Mendelejeva tabela".

V pravem živalskem vrtu lahko v kletki hkrati živi več živali z istim imenom, na primer družina zajcev je nameščena v eno kletko, družina lisic pa v drugo. In v našem "živalskem vrtu" v celici "sedijo" atomi-sorodniki, na znanstveni način - izotopi. Kateri atomi veljajo za sorodnike? Fiziki so ugotovili, da je vsak atom sestavljen iz jedra in lupine elektronov. Po drugi strani je jedro atoma sestavljeno iz protonov in nevtronov. Torej, jedra atomov v "sorodnikih" vsebujejo enako število protonov in različno število nevtronov.

Trenutno je zadnji v tabeli livermorium, vpisan v škatlo pod številko 116. Toliko elementov in vsak ima svojo zgodbo. V imenih je veliko zanimivih stvari. Praviloma je ime elementu dal znanstvenik, ki ga je odkril, in šele od začetka 20. stoletja je imena podeljevala Mednarodno združenje za temeljno in uporabno kemijo.

Številni elementi so poimenovani po starogrških bogovih in junakih mitov, velikih znanstvenikov. Obstajajo zemljepisna imena, vključno s tistimi, ki so povezana z Rusijo.

Obstaja legenda, da je imel Mendelejev srečo - le sanjal je o mizi. mogoče. Toda veliki francoski znanstvenik Blaise Pascal je nekoč pripomnil, da le pripravljeni umi delajo naključna odkritja. In kdor je imel um pripravljen na sestanek s periodično tabelo, je bil Dmitrij Ivanovič, saj se je s tem problemom ukvarjal že vrsto let.

Zdaj pa gremo na pot!

vodik (H)

Vodik "živi" v celici številka 1 našega živalskega vrta. Tako ga je imenoval veliki znanstvenik Antoine Lavoisier. Temu elementu je dal ime vodik(iz grškega ὕδωρ - "voda" in korena -γεν- "roditi"), kar pomeni "roditi vodo". Ruski fizik in kemik Mihail Fedorovič Solovjov je to ime prevedel v ruščino - vodik. Vodik je označen s črko H, je edini element, katerega izotopi imajo svoja imena: 1 H - protij, 2 H - devterij, 3 H - tritij, 4 H - kvadij, 5 H - pentij, 6 H - heksij in 7 H - septij (nadpis označuje skupno število protonov in nevtronov v jedru atoma).

Skoraj vse naše vesolje je sestavljeno iz vodika - predstavlja 88,6% vseh atomov. Ko opazujemo Sonce na nebu, vidimo ogromno kroglo vodika.

Vodik je najlažji plin in zdi se, da jim je koristno polniti balone, vendar je eksploziven in se z njim raje ne zapletajo, tudi na škodo nosilnosti.

helij (on)

Celica 2 vsebuje žlahtni plin helij. Helij je dobil ime po grškem imenu za Sonce - Ἥλιος (Helios), ker so ga prvič odkrili na Soncu. Kako je delovalo?

Tudi Isaac Newton je ugotovil, da je svetloba, ki jo vidimo, sestavljena iz ločenih črt različnih barv. Sredi 19. stoletja so znanstveniki ugotovili, da ima vsaka snov svoj nabor takšnih črt, tako kot ima vsaka oseba svoje prstne odtise. Torej, v sončnih žarkih je bila najdena svetlo rumena črta, ki ne pripada nobenemu od prej znanih kemičnih elementov. In šele tri desetletja pozneje so na Zemlji našli helij.

Helij je inerten plin. Drugo ime so žlahtni plini. Takšni plini ne gorijo, zato z njimi raje polnijo balone, čeprav je helij 2-krat težji od vodika, kar zmanjšuje nosilnost.

Helij je rekorder. Prehaja iz plinastega v tekoče stanje, ko so vsi elementi že dolgo trdni: pri temperaturi -268,93 ° C in pri normalnem tlaku sploh ne preide v trdno stanje. Samo pri tlaku 25 atmosfer in temperaturi -272,2 ° C helij postane trden.

litij (Li)

Celico številka 3 zaseda litij. Litij je dobil ime po grški besedi λίθος (kamen), saj so ga prvotno našli v mineralih.

Obstaja tako imenovano železno drevo, ki potone v vodi, in še posebej lahka kovina litij - nasprotno, v vodi ne potone. Pa ne samo v vodi - tudi v kateri koli drugi tekočini. Gostota litija je skoraj 2-krat manjša od gostote vode. Sploh ne izgleda kot kovina – premehka je. Da, in dolgo ni mogel plavati - litij se s sikanjem raztopi v vodi.

Majhni dodatki litija povečajo moč in duktilnost aluminija, kar je zelo pomembno v letalstvu in raketni znanosti. Ko litijev peroksid reagira z ogljikovim dioksidom, se sprosti kisik, ki se uporablja za čiščenje zraka v izoliranih prostorih, na primer na podmornicah ali vesoljskih ladjah.

berilij (be)

V celici številka 4 je berilij. Ime izvira iz minerala berila - surovine za proizvodnjo kovinskega berilija. Sam beril je dobil ime po indijskem mestu Belur, v bližini katerega so ga kopali že od antičnih časov. Kdo ga je potem potreboval?

Spomnite se čarovnika Smaragdnega mesta - Velikega in Groznega Goodwina. Vse je prisilil, da nosijo zelena očala, da je njegovo mesto videti "smaragdno" in zato zelo bogato. Torej, smaragd je ena od sort berila, nekateri smaragdi so cenjeni bolj kot diamant. Tako so v starih časih vedeli, zakaj razvijati nahajališča berila.

V petih zvezkih enciklopedije "Vesolje in človeštvo" iz leta 1896 izdaja o beriliju pravi: "Nima praktične uporabe." In veliko več časa je minilo, preden so ljudje videli njegove neverjetne lastnosti. Berilij je na primer prispeval k razvoju jedrske fizike. Po njegovem obsevanju s helijevimi jedri so znanstveniki odkrili tako pomemben elementarni delec, kot je nevtron.

Resnično edinstvena je zlitina berilija z bakrom - berilijev bron. Če se večina kovin sčasoma "stara", izgubi moč, potem se berilijev bron, nasprotno, sčasoma "pomladi", se njegova moč poveča. Vzmeti iz njega se praktično ne obrabijo.

Bor (V)

Bohr zaseda celico številka 5. Ni treba misliti, da je ta element dobil ime po vratarju danskega nogometnega kluba "Akademisk" Nielsu Bohru, kasneje velikem fiziku. Ne, ime je element dobil po perzijski besedi "burakh" ali iz arabske besede "burak" (belo), ki je označevala spojino bora - boraks. Ampak raje imam različico, da "pesa" ni arabska, ampak čisto ukrajinska beseda, v ruščini - "pesa".

Bor je zelo močan material, ima najvišjo natezno trdnost. Če spojino bora in dušika segrejemo na temperaturo 1350 ° C pri tlaku 65 tisoč atmosfer (to je zdaj tehnično dosegljivo), lahko dobimo kristale, ki lahko opraskajo diamant. Abrazivni materiali, izdelani na osnovi borovih spojin, niso slabši od diamantnih in so hkrati veliko cenejši.

Bor se običajno vnaša v zlitine neželeznih in železnih kovin za izboljšanje njihovih lastnosti. Kombinacije bora z vodikom - borani - so odlično raketno gorivo, skoraj dvakrat učinkovitejše od tradicionalnih. Za bor je delo v kmetijstvu: bor se dodaja gnojilom, saj se zaradi njegovega pomanjkanja v tleh pridelek mnogih pridelkov opazno zmanjša.

Umetnica Anna Gorlach