На Общем собрании членов РАН прошла научная сессия «Периодическая таблица элементов ― универсальный язык естествознания».
Открывая чтения, президент Российской академии наук академик Александр Михайлович Сергеев напомнил, что 2019 год объявлен ООН и ЮНЕСКО Международным годом периодической таблицы. «К сожалению, далеко не во всех странах она носит имя Дмитрия Ивановича Менделеева, ― отметил глава РАН, ― и эта инициатива является важным поводом для того, чтобы закрепить приоритет за российской наукой».
Академик Юрий Александрович Золотов из московского Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН сделал экскурс в историю открытия. «В конце 1860-х годов 35-летний профессор Менделеев, работая над книгой “Основы химии”, столкнулся с необходимостью единой систематизации элементов и, перепробовав разные варианты, остановился на их расстановке по возрастанию атомного веса. Дмитрий Иванович обнаружил, что при таком расположении свойства элементов периодически повторяются, и отобразил это в виде таблицы. День 15 февраля 1869 года, когда он разослал эту таблицу своим коллегам, считается днем рождения периодического закона».
Юрий Золотов
Докладчик напомнил, что химии было посвящено около трети работ Менделеева ― остальные относились к физике, метрологии, промышленности, сельскому хозяйству, воздухоплаванию и другим отраслям. Как химик Дмитрий Иванович также был разносторонним: выступил с гипотезой минерального происхождения нефти, пропагандировал нефтехимию, создал гидратную теорию растворов и вариант бездымного пороха, но вошел в историю прежде всего как автор периодического закона. «Да, более правильно говорить “закон”, а не “таблица”, поскольку и до Менделеева некоторые химики публиковали таблицы аналогий между элементами, ― подчеркнул академик Ю. Золотов, ― но только Дмитрий Иванович поднялся до уровня единого закона, имеющего предсказательную силу и позволяющего прогнозировать открытие новых элементов, каковым был гипотетический менделеевский экалюминий, ставший затем галлием».
Юрий Золотов акцентировал, что Менделеев при составлении рядов элементов сталкивался с трудностями, одна из которых касалась места водорода. «Он и сегодня числится “чужим среди своих”, ― заметил академик, ― и его присутствие в первой группе ― результат компромисса». Сам Менделеев, по словам Ю. Золотова, предполагал возможность существования элементов легче водорода, которым дал названия ньютоний и короний. «Идея наличия таких элементов до сих пор встречается в литературе», ― напомнил Ю. Золотов.
За 150 лет своего существования периодический закон трансформировался. В основу систематизации элементов вместо атомного веса был положен заряд атомных ядер, затем ― периодичность электронных структур атомов. Тем не менее предсказательная сила закона остается незыблемой. Если при жизни Менделеева было известно 63 элемента и несколько гипотетических, то сегодня 108-й элемент завершил седьмой ряд периодической таблицы, последние дополнения которой явились результатом экспериментов ученых разных стран с элементарными частицами.
Об этих экспериментах рассказал академик Юрий Цолакович Оганесян из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. Систему элементов, из которых состоит Вселенная, ученые сегодня рассматривают на основе типологии ядер. «Таковых известно около 3 000, из них только 287 сохранились со времени образования Земли до наших дней», ― сообщил ученый. Мир сравнительно стабильных элементов и их ядерных основ он представил в виде географической карты, на которой в «океан нестабильности» выдается «континент», завершающийся свинцом, а более тяжелые элементы (торий, уран, плутоний) образуют «полуостров». Исследуя свойства ядер и элементарных частиц, ученые предположили наличие за этой структурой «отмели» и «острова стабильности». Именно в этих условных локусах и были открыты последние из известных элементов, в том числе с именами дубний, московий и флёровий, которые Юрий Оганесян назвал «предсказанными островитянами». «За последние 80 лет периодическая таблица пополнилась 26 рукотворными элементами тяжелее урана, шесть из которых синтезированы в Дубне», ― резюмировал ученый.
Аслан Цивадзе
Темой выступления академика Аслана Юсуповича Цивадзе из Института физической химии и электрохимии РАН (Москва) стала другая группа элементов ― редкоземельные металлы, которые в недавней публикации журнала Science были названы «головной болью Менделеева и современным чудом». «Шесть таких элементов Менделеев не мог встроить ни в один ряд и в результате выделил для них отдельный блок, ― отметил докладчик. ― Однако при жизни Дмитрия Ивановича было открыто еще десять, а последний из группы ― в 1940 году». Академик А. Цивадзе рассказал о разработке в России химических методов экстрации «редких земель» из природных соединений, отметив при этом: «К сожалению, академические институты не привлекаются к организации промышленного производства для выхода на мировые рынки».
Тем не менее научные организации под эгидой РАН действуют по собственной инициативе. Аслан Цивадзе рассказал о работах по извлечению из природных носителей рения ― элемента, около 50 % мировой добычи которого используется в сплавах для авиатурбостроения, а остальная половина ― в приборостроении и производстве новейших катализаторов. В 1992 году на курильском острове Итуруп в фумаролах вулкана Кудрявый было открыто рениевое месторождение, оцененное по прогнозным запасам как третье в мире. «Совместно с коллегами из Института вулканологии ДВО РАН мы исследовали образцы концентратов и подтвердили перспективность добычи рения», ― сообщил академик. Как рассказал А. Ю. Цивадзе, в ИФХЭ РАН разработали проект, а затем опытный образец промышленной установки, способной обогащать природное рениевое сырье до концентрации 500―700 граммов на тонну, которую установили прямо на вулкане в сентябре этого года. «Условия там крайне тяжелые, но у нас появилась надежда, что мы встали на путь решения этой сложной задачи», ― резюмировал ученый.
Вопросам организации внедрения разработок в области получения стратегически важных материалов и новейших технологий на их основе было посвящено также выступление академика Евгения Николаевича Каблова из Всероссийского института авиационных материалов (ВИАМ). Коснувшись роли Российской академии наук в этом процессе, ученый подчеркнул: «РАН должна получить правовой статус высшего научного учреждения России, а также, с учетом вовлеченности институтов в деятельность Академии, прописанную в ее Уставе, возможность самостоятельной исследовательской деятельности».
Валерий Чарушин
Председатель Уральского отделения РАН академик Валерий Николаевич Чарушин в своем докладе раскрыл участие различных химических элементов в жизни каждого человека. Он начал с четырех важнейших: водорода, углерода, азота и кислорода — которые связаны с формированием всего живого на Земле. «Удивительно, что всего из четырех этих элементов построены миллионы органических веществ», — сказал он. Валерий Чарушин прошел практически по всей периодической таблице элементов, объясняя вклад и значение разных веществ для здоровья человека. Например, металлы: натрий, магний, калий и железо отвечают за разные жизненно важные функции человеческого организма. Натрий поддерживает кислотно-щелочной баланс и осмотическое давление в клетках, калий обеспечивает передачу нервных импульсов, в том числе и регулирующих сердечные сокращения, железо переносит кислород и так далее. В. Н. Чарушин отметил, что даже радиоактивные элементы приносят пользу здоровью людей: либо как визуализирующий инструмент, либо в непосредственной терапии.
Заместитель директора Института космических исследований РАН доктор физико-математических наук Александр Анатольевич Лутовинов поднял вопрос изначального происхождения разных химических элементов во Вселенной. «После Большого взрыва примерно три четверти вещества, которое образовалось, было водородом, одна четверть — гелий. В качестве примесей встречались дейтерий, гелий-3 и литий. А все остальные элементы являются продуктом производства звезд — мощнейших фабрик по созданию элементов в космосе», — подчеркнул Александр Лутовинов.
Первые звезды появились через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва — Вселенная должна была остыть, чтобы подобные объекты возникли. Они были совершенно непохожи на те, которые мы знаем сейчас: огромные гиганты, которые весили сотни масс Солнца. Первые звезды жили всего несколько миллионов лет, но в них прошли термоядерные реакции, обогатившие Вселенную первыми тяжелыми элементами.
Вся жизнь звезды определяется ее массой. Если рождается очень маленькая звезда — коричневый карлик, который весит сотые доли массы Солнца, ― то жить она будет практически бесконечно и с ней ничего не будет происходить. Звезды малой массы (сравнимой с массой Солнца) живут миллиарды лет и в них идут две важнейшие реакции: протон-протонный цикл, когда из двух протонов образуется водород, затем он загорается и получается гелий. На следующем этапе, когда сгорает водород, условия изменяются и можно зажечь гелий. Сталкивая два атома гелия, вы образуете бериллий-8, он живет 10-16 секунды, но при тех условиях, которые есть внутри звезды, два атома бериллия успевают встретиться и получается углерод. Эта реакция является ключевой для создания жизни во Вселенной. В конце эволюции такой звезды получается некоторая планетарная туманность, в центре которой оказывается компактный объект размером с Землю и имеющий массу Солнца — белый карлик. Он весь состоит из углерода и может оставаться устойчивым, если не накопит массу более 1,4 массы Солнца. Если это происходит, он взрывается, вновь обогащая Вселенную тяжелыми элементами.
Александр Лутовинов
Если звезда тяжелая, 20—30 масс Солнца, то существует она меньше, но у нее более интересная и насыщенная жизнь. Температуры внутри становятся больше, и можно зажечь углерод, затем через ряд промежуточных этапов горение доходит до железа. В конце своей жизни такая массивная звезда выглядит как луковица: в центре есть очень массивное железное ядро, а вокруг него догорают остатки других химических элементов. В какой-то момент звезда коллапсирует, вещество выбрасывается во внешнюю среду, и концом истории может стать либо черная дыра, либо нейтронная звезда.
Нейтронные звезды — казалось бы мертвые, на них заканчивается эволюция, но на самом деле они могут стать прародителями новой жизни и новых химических элементов. Ученые могут отслеживать, сколько и каких веществ образовалось в результате различных процессов в космосе. Например, было показало, что в результате вспышки сверхновой родился радиоактивный никель, который потом распался в радиоактивный кобальт, а затем в течение 100 дней — в железо.
«У железа — самая большая энергия связи, и следующие элементы можно образовать только с помощью нейтронного захвата. Он, конечно, существует, но основная проблема в том, что нейтрон нестабилен, поэтому, чтобы образовать новый элемент, нужно успеть захватить много нейтронов: пока один распадется, остальные остаются внутри. Для этого требуется очень большая концентрация нейтронов. Где она может быть? Например, во время вспышек сверхновых, но оказалось, что, если посмотреть темп этих событий, сравнив с обилием элементов, этого количества будет недостаточно, чтобы объяснить имеющийся объем. Тут возникла замечательная идея: много нейтронов есть в нейтронной звезде», — рассказал Александр Лутовинов. По его словам, нейтронная звезда — очень компактная и очень тяжелая: если сложить вещество такой звезды в пол-литровую бутылку, то ее масса составит 350 миллиардов тонн. И при столкновении двух таких объектов возникают гравитационные волны и рождаются новые химические элементы, например, лантаноиды.
Завершая заседание, посвященное периодической таблице элементов, директор Института химии и проблем устойчивого развития Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева член-корреспондент РАН Наталия Павловна Тарасова заострила проблему отношения людей к химии и химическим технологиям. По ее словам, хемофобия (боязнь химии ― Прим.ред.) — это объективная реальность, жители планеты с опасением относятся к достижениям химических технологий, однако величина этого опасения зависит от страны, работы школ, средств массовой информации и ряда других факторов. При этом нейтральное отношение, по ее мнению, может в любой момент измениться на резко отрицательное, как это уже было со фторсодержащими веществами и выбросами ТЭЦ. Наталия Тарасова привела пример предвзятого отношения к химии, основанного на наукообразии употребляемых терминов: если спросить людей, стоит ли запретить использовать дигидрогенат монооксида в каком либо производстве, большинство отвечает, что да, хотя, если разобраться, за этим названием скрывается обычная вода. По словам, исследовательницы, в ближайшее время возможно обострение негативного отношения людей к пластику.
Вторая часть доклада Н. П. Тарасовой была посвящена зеленой химии. По ее словам, в этом понятии кроется не только отсутствие влияния на окружающую среду, но и образ мышления, который необходимо развивать у химиков-технологов. Исследовательница отметила, что российские предприятия относятся положительно к принципам внедрения таких технологий. «Зеленая химия позволит сохранить планету для будущих поколений», — резюмировала Наталья Тарасова.
Юлия Позднякова
Андрей Соболевский
Фото Юлии Поздняковой (1—4), из открытых источников (анонс)
