Прогресс в синтезе новых химических элементов. Трансурановые элементы. Что представляет собой процесс искусственного синтеза

Физики из Ливерморской национальной лаборатории в США в январе 2016 года сообщили о прогрессе в инерциальном управляемом термоядерном синтезе. При помощи новой технологии ученые сумели в четыре раза повысить эффективность подобных установок. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Physics, кратко о них проинформировали Ливерморская национальная лаборатория иКалифорнийский университет в Сан-Диего. О новых достижениях рассказывает «Лента.ру».

Человек давно пытается найти альтернативу углеводородным источникам энергии (углю, нефти и газу). Сжигание топлива загрязняет окружающую среду. Его запасы стремительно сокращаются. Выход из ситуации - зависимости от водных ресурсов, а также климата и погоды, - создание термоядерных электростанций. Для этого необходимо добиться управляемости реакций термоядерного синтеза, при которых выделяется необходимая человеку энергия.

В термоядерных реакторах тяжелые элементы синтезируются из легких (образование гелия в результате слияния дейтерия и трития). Обычные (ядерные) реакторы, наоборот, работают на распаде тяжелых ядер на более легкие. Но для синтеза необходимо разогреть водородную плазму до термоядерных температур (примерно таких, как в ядре Солнца, - сто миллионов градусов Цельсия и более) и удерживать ее в равновесном состоянии до возникновения самоподдерживающейся реакции.

Работы ведутся по двум перспективным направлениям. Первое связано с возможностью удержания разогретой плазмы при помощи магнитного поля. К подобного рода реакторам относятся токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) и стелларатор. В токамаке по плазме в форме тороидального шнура пропускают электрический ток, в стеллараторе магнитное поле наводится внешними катушками.

Строящийся на территории Франции ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор) относится к токамакам, а запущенный в декабре 2015 года в Германии Wendelstein 7-X - к стеллараторам.

Второе перспективное направление управляемого термоядерного синтеза связано с лазерами. Физики предлагают при помощи лазерного излучения быстро нагреть и сжать до необходимых температур и плотностей вещество, чтобы оно, будучи в состоянии инерционно удерживаемой плазмы, обеспечило протекание термоядерной реакции.

Инерциальный управляемый термоядерный синтез предполагает использование двух основных методов зажигания предварительно сжатой мишени: ударного - при помощи сфокусированной ударной волны, и быстрого - имплозии (взрыва внутрь) сферического водородного слоя внутри мишени. Каждый из них (в теории) должен обеспечить оптимальное преобразование лазерной энергии в импульсную и ее последующую передачу сжатой сферической термоядерной мишени.

Установка в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций в СШАприменяет второй подход, предполагающий разделение фаз сжатия и нагрева. Это, по словам ученых, позволяет снизить плотность топлива (или его массу) и обеспечить более высокие коэффициенты усиления. Нагрев порождается коротким импульсом петаваттного лазера: интенсивный электронный пучок отдает свою энергию мишени. Эксперименты, о которых сообщается в последнем исследовании, проводились в Нью-Йорке на установке OMEGA-60 в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета, включающей в себя 54 лазера с суммарной энергией 18 килоджоулей.

Изученная учеными система устроена следующим образом. Мишень представляет собой пластиковую капсулу, на внутреннюю стенку которой нанесен тонкий дейтерий-тритиевый слой. При облучении капсулы лазерами она расширяется и заставляет сжиматься расположенный внутри нее водород (в ходе первой фазы), который разогревается (в ходе второй фазы) до плазмы. Плазма из дейтерия и трития дает рентгеновское излучение и давит на капсулу. Данная схема позволяет системе не испариться после ее облучения лазером и обеспечивает более равномерный нагрев плазмы.

В своих опытах ученые в пластиковую оболочку ввели медь. Когда лазерный луч направляется на капсулу, та выбрасывает быстрые электроны, которые попадают на медные индикаторы и заставляют их испускать рентгеновские лучи. Ученые впервые смогли представить технику визуализации электронов K-оболочки, позволяющую отслеживать перенос энергии электронами внутри капсулы и в результате более аккуратно рассчитывать параметры системы. Важность этой работы заключается в следующем.

Достижению высокой степени сжатия мешают быстрые электроны, в энергию которых превращается большая доля поглощенного мишенью излучения. Длина свободного пробега таких частиц по порядку совпадает с диаметром мишени, вследствие чего она преждевременно перегревается и не успевает сжаться до нужных плотностей. Выполненное исследование позволило заглянуть внутрь мишени и отследить происходящие там процессы, предоставив новую информацию о необходимых для оптимального излучения мишени параметрах лазера.

Работы, относящиеся к инерциальному термоядерному синтезу, кроме США ведутся в Японии, Франции и России. В городе Саров Нижегородской области на базе Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики в 2020 году планируется ввести в строй лазерную установку двойного назначения УФЛ-2М, которая среди прочих задач должна использоваться для исследований условий зажигания и горения термоядерного топлива.

Эффективность термоядерной реакции определяется как отношение энергии, выделившейся в реакции синтеза, к полной энергии, потраченной на нагрев системы до необходимых температур. Если эта величина больше единицы (ста процентов), лазерный термоядерный реактор можно считать успешным. В экспериментах физикам удалось до семи процентов энергии лазерного излучения передать топливу. Это в четыре раза превышает ранее достигнутую эффективность систем быстрого зажигания. Компьютерное моделирование позволяет спрогнозировать повышение эффективности до 15 процентов.

Опубликованные результаты повышают шансы на то, что Конгресс США продлит финансирование мегаджоулевых установок, таких как Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций в городе Ливермор (затраты на создание и поддержание его работоспособности превысили четыре миллиарда долларов). Несмотря на скептицизм, сопровождающий исследования в области термоядерного синтеза, они медленно, но уверенно движутся вперед. В этой области перед учеными стоят не фундаментальные, а технологические задачи, требующие международного сотрудничества и адекватного финансирования.

В ХХ веке элементы главных подгрупп Периодической системы были менее популярны, чем те, что расположены в побочных подгруппах. Литий, бор и германий оказались в тени своих дорогих соседей - золота, палладия, родия и платины. Конечно, нельзя не признать, что классические химические свойства элементов главных подгрупп не могут сравниться с быстрыми и элегантными процессами, в которых участвуют комплексы переходных металлов (за открытие этих реакций присуждена не одна Нобелевская премия). В начале 1970-х годов среди химиков вообще бытовало мнение, что элементы главных подгрупп уже раскрыли все свои секреты, а их изучение - фактически пустая трата времени.

Скрытый химический переворот

Когда автор этой статьи был студентом (а он получил диплом Казанского университета в 1992 году), ему и многим его однокурсникам химия p -элементов казалась самым скучным разделом. (Напомним, что s -, p - и d -элементы - это те, валентные электроны которых занимают соответственно s -, p - и d -орбитали.) Нам рассказывали, в какой форме эти элементы существуют в земной коре, преподавали методы их выделения, физические свойства, типичные степени окисления, химические свойства и практическое применение. Вдвойне скучно было тем, кто прошел через химические олимпиады и узнал всю эту полезную информацию еще школьником. Может быть, поэтому в наше время кафедра неорганической химии была не очень популярна при выборе специализации - все мы старались попасть к органикам или элементоорганикам, где рассказывали про наступившую в химии эру переходных металлов, катализирующих все мыслимые и немыслимые превращения веществ.

Тогда еще не было компьютеров и Интернета, всю информацию мы получали только из реферативных журналов по химии и некоторых иностранных журналов, которые выписывала наша библиотека. Ни мы, ни наши преподаватели не знали, что в конце 1980-х годов уже стали заметными первые признаки ренессанса химии элементов главных подгрупп. Именно тогда обнаружили, что возможно получить экзотические формы p -элементов - кремний и фосфор в низкокоординированном и низкоокисленном состояниях, но при этом способные образовывать вполне устойчивые при комнатной температуре соединения. Хотя об их практическом применении в тот момент речь не шла, первые успешные примеры синтеза этих веществ показывали, что химию элементов главных подгрупп немного недооценили и, возможно, придет время, когда p -элементы смогут выйти из тени d - и даже f -элементов. В итоге так и получилось.

Точкой начала разворота к элементам главных подгрупп можно считать 1981 год. Тогда было опубликовано целых три работы, опровергающих представление о том, что устойчивая двойная или тройная связь может образовываться только в том случае, если один из партнеров этой химической связи (а лучше оба) - элемент второго периода. Первым это «правило двойных связей» опроверг Роберт Уэст из университета Висконсина, в группе которого впервые синтезировали устойчивый силен - соединение с двойной связью кремний-кремний, более тяжелый аналог алкенов, знакомых каждому по органической химии (Science , 1981, 214, 4527, 1343–1344, doi: 10.1126/science.214.4527.1343 ). Вскоре после этого исследователи из Токийского университета, работавшие под руководством Масааки Ёсифудзи, сообщили о синтезе соединения с двойной связью фосфор-фосфор (, 1981, 103, 15, 4587–4589; doi: 10.1021/ja00405a054 ). В том же году Герд Беккер из университета Штутгарта смог получить устойчивый фосфаалкин - соединение с тройной связью фосфор-углерод, который можно рассматривать как фосфорсодержащий аналог нитрилов карбоновых кислот (Zeitschrift für Naturforschung B , 1981, 36, 16).

Фосфор и кремний - элементы третьего периода, поэтому никто не ожидал от них таких возможностей. В последнем соединении атом фосфора координационно ненасыщен, а это позволяло надеяться, что оно или его аналоги найдут применение в качестве катализаторов. Повод для надежды давало то, что основная задача катализатора - связаться с молекулой-субстратом, которую нужно активировать, на это способны только те молекулы, к которым реагент может легко приблизиться, а в привычных большинству химиков фосфатах атом фосфора, окруженный четырьмя группировками, никак нельзя назвать доступным центром.

Главное - объемное окружение

Все три синтеза, опубликованные в 1981 году, удались потому, что были правильно подобраны заместители, окружающие элементы главных подгрупп в их новых, экзотических соединениях (в химии переходных металлов заместители назвали лигандами). Новые производные, полученные Уэстом, Ёсифудзи и Беккером, объединяло одно - объемные лиганды, связанные с элементами главных подгрупп, стабилизировали кремний или фосфор в низкокоординированном состоянии, которое не было бы устойчивым в других обстоятельствах. Объемные заместители защищают кремний и фосфор от кислорода и воды воздуха, а также не дают вступить в реакцию диспропорционирования и принимать типичные для них степени окисления (+4 и +5 для кремния и фосфора соответственно) и координационные числа (четыре для обоих элементов). Так, силен был стабилизирован четырьмя объемными мезитильными группами (мезитил - это 1,3,5-триметилбензол), а фосфаалкин - объемным трет-бутильным заместителем.

Как только стало ясно, что объемные лиганды делают устойчивыми соединения, в которых p -элементы находятся в невысокой степени окисления и/или с низким координационным числом, к получению новых, необычных производных элементов главных подгрупп стали подключаться и другие ученые. Начиная с 2000-х годов практически в каждом номере Science (а с появления в 2009 году журнала Nature Chemistry - в почти каждом его номере) сообщается о каком-то экзотическом соединении с элементом главных подгрупп.

Так, до недавнего времени никто не мог подумать, что удастся получить и охарактеризовать стабильные силилены - кремнийсодержащие эквиваленты карбенов.

Карбены - это частицы с высокой реакционной способностью, в которых на двухвалентном и двухкоординированном атоме углерода либо есть пара электронов (более устойчивый синглетный карбен), либо два отдельных неспаренных электрона (более активный триплетный карбен). В 2012 году Камерон Джонс из австралийского Университета Монаша и его коллеги из Оксфорда и Университетского колледжа Лондона описали первый синглетный силилен - двухвалентный кремний в нем стабилизирован объемным борсодержащим лигандом (Journal of the American Chemical Society , 2012, 134, 15, 6500–6503, doi: 10.1021/ja301042u ). Силилен можно выделить в кристаллическом состоянии, и он, заметим, сохраняет устойчивость при температуре до 130°C. А вот в растворе кремниевый аналог карбена димеризуется с образованием силена либо внедряется в C-H связи алканов, воспроизводя химические свойства своих аналогов карбенов.

Химики продолжают получать все новые органические соединения с элементами главных подгрупп. В частности, пытаются заменить в хорошо известной структуре элемент второго периода на аналогичный ему элемент более старшего периода (в этом номере «Хемоскопа» рассказывается о получении фосфорсодержащего аналога одного из первых синтезированных органических веществ). Другое направление немного похоже на коллекционирование редких марок, только вместо марок - химические структуры. Например, в 2016 году Александр Хинц из Оксфорда пытался получить цикл, содержащий атомы четырех различных пниктогенов (элементов 5-й группы главной подгруппы от азота до висмута). Полностью решить задачу ему не удалось - молекула линейного строения не замкнулась в цикл. Тем не менее впечатляет и молекула с уникальной цепью Sb-N-As = P, включающей четыре из пяти p -элементов подгруппы азота (Chemisrty. A European Journal , 2016, 22, 35, 12266–12269, doi: 10.1002/chem.201601916 ).

Конечно, говорить о синтезе экзотических производных элементов главных подгрупп только как о «химическом коллекционировании» нельзя, поскольку получение аналогов хорошо известных органических соединений, содержащих элементы старших периодов, безусловно важно для уточнения теорий строения химической связи. Разумеется, это не единственная причина интереса химиков. Стремление найти области, в которых эти вещества можно использовать на практике, - именно в нем причина ренессанса химии элементов главных подгрупп.

Еще в 1980-е годы после синтеза первых веществ, в которых наблюдалась низкая координация p -элементов, химики надеялись, что такие координационно ненасыщенные соединения смогут катализировать многие реакции так же, как комплексы переходных металлов. Уж больно заманчиво было бы поменять дорогие соединения платины и палладия на молекулы, содержащие только элементы главных подгрупп. Появившаяся уже в этом тысячелетии информация о свойствах необычных соединений p -элементов подтвердила теоретические прогнозы. Оказалось, что многие из них активируют углеводороды, молекулярный водород и углекислый газ.

Чем плохи переходные металлы?

Казалось бы, зачем разрабатывать новые катализаторы для процессов, которые уже давно отлично ускоряются производными переходных металлов? К тому же и металлоорганическая химия переходных элементов не стоит на месте - все время открываются новые грани реакционной способности d -элементов. Но у благородных переходных металлов есть свои недостатки. В первую очередь цена: самые эффективные катализаторы превращений органических и элементоорганических соединений - это комплексы родия, платины и палладия. Вторая сложность - истощение природных запасов платины и палладия. Наконец еще одна проблема платиновых или палладиевых катализаторов - высокая токсичность. Особенно это актуально при получении лекарств, поскольку их цену существенно повышает стоимость очистки вещества даже от следовых количеств переходных металлов. Переход на новые катализаторы как минимум значительно удешевит лекарственную субстанцию, а возможно, и упростит очистку целевого продукта реакции.

Существуют и дополнительные преимущества, которые может дать применение катализаторов на основе элементов главных подгрупп. Так, не исключено, что некоторые известные реакции пойдут в более мягких условиях, а значит, удастся сэкономить на энергии. Например, еще в 1981 году в своей работе про синтез и свойства первого силена Джонс продемонстрировал, что соединение с двойной связью кремний-кремний может активировать водород при температуре даже меньшей, чем комнатная, тогда как существующие в промышленности процессы гидрирования требуют применения высоких температур.

Один из важных химических процессов, обнаруженных в уже новом тысячелетии, - активация молекулярного водорода с помощью дигермина, германийсодержащего аналога алкинов (Journal of the American Chemical Society , 2005, 127, 12232–12233, doi: 10.1021/ja053247a ). Этот процесс, который может показаться обычным, интересен благодаря двум обстоятельствам. Во-первых, несмотря на аналогию строения алкинов и герминов, водород реагирует с последними не по сценарию, характерному для углеводородов с тройной связью углерод-углерод (водород присоединяется к каждому из атомов тройной связи, и гермин превращается в гермен), а по механизму, типичному для атомов переходных металлов. Этот механизм, в результате которого молекула водорода присоединяется к элементу и образуются две новые связи Э-Н (в описанном случае - Ge-H), называется окислительным присоединением и является ключевой стадией многих каталитических процессов с участием переходных металлов. Во-вторых, хотя Н 2 и может показаться самой простой и незамысловатой молекулой, химическая связь в ней - самая прочная из всех, какие могут возникать между двумя одинаковыми элементами, поэтому разрыв этой связи и, соответственно, активация водорода в процессах каталитического гидрирования - далеко не простая задача с точки зрения химической технологии.

Можно ли сделать акцептор донором?

Чтобы элемент смог вступить в реакцию окислительного присоединения водорода (независимо от того, где он расположен в Периодической таблице), он должен обладать некоторыми особенностями электронного строения. Процесс Э + H 2 = Н-Э-Н пойдет только в том случае, если элемент координационно ненасыщен и его свободная орбиталь может принять электроны молекулярного водорода. Более того, энергия этой свободной орбитали должна быть близка энергии молекулярной орбитали водорода, на которой находятся электроны. Прогресс в области гомогенного металлокомплексного катализа главным образом объясняется тем, что химики, изменяя строение лигандов, связанных с металлом, могут варьировать энергию его орбиталей и таким образом «подстраивать» их под строго определенные вещества, участвующие в реакции. Долгое время считалось, что такая мягкая настройка энергии орбиталей возможна только для d -элементов, однако в последнее десятилетие оказалось, что и для p -элементов тоже. Больше всего надежд исследователи связывают с азотсодержащими комплексами, в которых лиганды, как клешнями, охватывают координационный центр (они и называются хелатирующими лигандами, от лат. chela, клешня), а также со сравнительно новым классом лигандов - N -гетероциклическими карбенами.

Успешный пример применения последних - работа Гая Бертрана из университета Калифорнии в Сан-Диего, в которой эти лиганды стабилизируют атом бора (Science , 2011, 33, 6042, 610–613, doi: 10.1126/science.1207573 ). Обычно производные бора, содержащего всего три электрона на своем внешнем слое, работают как классический акцептор электронов (кислота Льюиса). Дело в том, что до устойчивой восьмиэлектронной оболочки бору необходимо еще пять электронов, поэтому три ковалентные связи он может образовать из трех своих и трех сторонних электронов, а вот еще два электрона приходится заполучать, принимая в свои пустые электронные ячейки чужую электронную пару. Однако N -гетероциклические карбены - такие сильные доноры электронов, что связанный с ними бор перестает быть акцептором - он становится настолько «электроноизбыточным», что превращается из кислоты Льюиса в основание Льюиса. Еще недавно химики даже не могли спрогнозировать такое значительное изменение свойств хорошо знакомого p -элемента. И хотя работа Бертрана пока интересна только с теоретической точки зрения, переход от теории к практике в наше время происходит довольно быстро.

Далеко ли до катализа

Итак, синтезированные в последнее время производные элементов главных подгрупп могут вступать в ключевые реакции, которые катализируют комплексы переходных металлов. К сожалению, даже упомянутое окислительное присоединение молекулярного водорода к атому кремния или бора - всего лишь первый шаг в последовательности реакций, которые нужно разработать для полного каталитического цикла. Например, если речь идет о гидрировании в присутствии соединений главных подгрупп, механизм которого воспроизводит механизм присоединения водорода в присутствии катализатора Уилкинсона, то после взаимодействия с водородом p -элемент должен образовать комплекс с алкеном, затем должны произойти гидридный перенос и образование комплекса... и все остальные стадии, которые в конечном счете приведут к образованию конечного продукта и регенерации каталитически активной частицы. Только тогда одна частица катализатора даст десятки, сотни или даже тысячи молекул целевого продукта. Но для того чтобы такой каталитический цикл заработал, нужно решить еще много задач - связь элемент-водород, образующаяся в результате окислительного присоединения, не должна быть слишком прочной (а то не произойдет гидридный перенос), элемент, присоединивший водород, должен сохранять низкокоординированное состояние для взаимодействия с алкеном и так далее. Стоит упустить какой-то момент, и катализатора из p -элемента не получится, несмотря на сходство его поведения с d -элементами в некоторых процессах.

Может показаться, что переход от металлокомплексного катализа к катализу соединениями элементов главных подгрупп - слишком сложная задача, и она очень далека от выполнения. Тем не менее интерес к химии p -элементов и желание химиков-синтетиков заменить платиновые или палладиевые катализаторы на что-то другое наверняка обеспечат прорыв в этом направлении. Есть шанс, что мы услышим о катализаторах на основе координационно ненасыщенных элементов главных подгрупп уже в течение ближайшего десятилетия.

В ядерном реакторе с нейтронами в несколько МэВ могут проходить реакции (n,p) и (n,a). Таким путем образуются четыре важнейших радиоактивных изотопа 14 C, 32 P, 35 S и 3 H по реакциям:

14 N(n,p) 14 C; 32 S(n,p) 32 P; 35 Cl(n,a) 35 S; 6 Li(n,a) 3 H

Во всех перечисленных случаях из элемента мишени образуется радиоактивный изотоп другого химического элемента и тем самым появляется возможность выделения этих изотопов без носителя или с заданной радиоактивностью .

Для получения радионуклидов, кроме ядерных реакторов, находят широкое применение и другие источники бомбардирующих частиц и гамма - квантов, работа которых основана на протекании различных ядерных реакций. Мощные потоки заряженных частиц получают с помощью ускорителей (электростатических, линейных и циклотронов и др.), в которых заряженные частицы ускоряются под действием постоянных или переменных полей. В электростатических и линейных ускорителях частицы разгоняются одним электрическим полем, в циклотронах одновременно с электрическим действует и магнитное поле.

Рис. Синхрофазотрон

Для получения нейтронов с высокой энергией служат нейтронные генераторы, в которых используются ядерные реакции под действием заряженных частиц, чаще всего дейтронов (d, n) или протонов (p, n).

С помощью ускорителей в основном получают радионуклиды с разными Z .

С ускорителями связан прогресс последних лет в синтезе новых химических элементов . Так облучением в циклотроне альфа-частицами с энергией 41 МэВ и плотностью пучка 6×10 12 частиц/с энштейния были получены первые 17 атомов менделевия:

В дальнейшем это дало толчок к интенсивному развитию метода ускорения многозарядных ионов. Бомбардировкой урана-238 в циклотроне ионами углерода был получен калифорний:

U ( С 6+ , 6n) Cf

Однако легкие снаряды ионы углерода или кислорода - позволили продвинуться только до элементов 104-10. Со временем для синтеза более тяжелых ядер облучением стабильных изотопов свинца и висмута ионами хрома были получены изотопы с порядковыми номерами 106 и 107:

Pb ( Cr, 3n) Sg

209 83 B ( Cr, 2n) Bh

В 1985 г. в Дубне был получен альфа-активный элемент 108 –хассий (Hs) облучением Cf неоном-22:

Cf ( Ne +4n) Hs

В этом же году в лаборатории Г. Сиборга были синтезированы 109 и 110 элементы облучением урана-235 ядрами аргона 40.

Синтез дальнейших элементов осуществлялся путем бомбардировки U, кюрия-248, Es ядрами Са.

Синтез 114-го элемента был осуществлен в 1999 г. в Дубне путем слияния ядер кальция-48 и плутония-244. Новое, сверхтяжелое ядро охлаждается, испуская 3-4 нейтрона, а затем распадается путем испускания альфа-частиц до 110 элемента.

Для синтеза 116 элемента была проведена реакция слияния кюрия-248 с кальцием –48. В 2000 году три раза было зарегистрировано образование и распад 116-го элемента. Затем примерно через 0,05 с ядро элемента 116 распадается до 114 элемента и дальше следует цепочка из альфа-распадов до 110 элемента, который спонтанно распадается.

Периоды полураспада синтезируемых спонтанно распадающихся новых элементов составляли несколько микросекунд. Казалось бы, что продолжение синтеза более тяжелых элементов становится бессмысленным, так как время их существования и выход слишком малы. В то же время обнаруженные периоды полураспада этих элементов оказались гораздо больше ожидаемых. Поэтому можно предположить, что при некотором сочетании протонов и нейтронов должны получатся устойчивые ядра с периодами полураспада много тысяч лет.

И так, получение изотопов, отсутствующих в природе - задача чисто техническая, так как теоретически вопрос ясен. Нужно взять мишень, облучить ее потоком бомбардирующих частиц с соответствующей энергией и быстро выделить нужный изотоп. Однако подобрать подходящую мишень, бомбардирующие частицы оказывается не так легко.

Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) сообщил, какие наименования считает наиболее подходящими для четырёх новых элементов таблицы Менделеева. Один из них рекомендуется назвать в честь российского физика, академика Юрия Оганесяна. Незадолго до этого корреспондент «КШ» встретился с Юрием Цолаковичем и сделал с ним большое интервью. Но ­ИЮПАК очень просит учёных не давать комментарии до 8 ноября, когда официально будут объявлены новые названия. Вне зависимости от того, чьё имя появится в таблице Менделеева, можно констатировать: Россия стала одним из лидеров в транс­урановой гонке, которая продолжается больше полувека.

Юрий Оганесян. Специалист в области ядерной физики, академик РАН, научный руководитель лаборатории ядерных реакций ­ОИЯИ, заведующий кафедрой ядерной физики Университета «Дубна». В качестве учени­ка Георгия Флёрова участвовал в ­синтезе резерфордия, дубния, сиборгия, бория и др. Среди открытий мирового уровня - так называемый холодный синтез ядер, оказавшийся чрезвычайно полезным инструментом для создания новых элементов.

В нижних строках таблицы Менделеева вы легко найдёте уран, его атомный номер 92. Все последующие элементы в природе сейчас не существуют и были открыты в результате очень сложных экспериментов.
Первыми создали новый элемент американские физики Гленн Сиборг и Эдвин Макмиллан. Так в 1940 году на свет появился плутоний. Позднее, совместно с другими учёными, Сиборг синтезировал америций, кюрий, берклий… Сам факт рукотворного расширения таблицы Менделеева в каком-то смысле сравним с полётом в космос.

Ведущие страны мира включились в гонку по созданию сверхтяжёлых ядер (при желании можно было бы провести аналогию с лунной гонкой, но здесь наша страна скорее побеждает). В СССР первый трансурановый элемент был синтезирован в 1964 году учёными из Объединённого института ядерных исследований (­ОИЯИ) в подмосковной Дубне. Это был 104-й элемент - нарекли резерфордием. Руководил проектом один из основателей ­ОИЯИ Геор­гий Флёров. Его имя тоже вписано в таблицу: флеровий, 114. А 105-й элемент получил название дубний.

Юрий Оганесян был учеником Флёрова и участвовал в синтезе резерфордия, а потом дубния, сиборгия, бория… Успехи наших физиков сделали Россию лидером транс­ура­но­вой гонки наравне с США, Германией, Японией (а может, и первой среди равных).

Новые элементы, о которых идёт речь - 113-й, 115-й, 117-й, 118-й, - были синтезированы в 2002–2009 годах в ОИЯИ на циклотроне У‑400. В ускорителях этого типа пучки тяжёлых заряженных частиц - протонов и ионов - разгоняют с помощью высокочастотного электрического поля, чтобы потом столкнуть друг с другом или с мишенью и изучить продукты их распада.

Все эксперименты проводились международными коллаборациями практически одновременно в разных странах. Например, 113-й элемент учёные из японского института ­RIKEN синтезировали независимо от остальных. В результате приоритет открытия был отдан им.

Новому химическому элементу вначале присваивается временное название, образованное от латинского числительного. Например, унуноктий - это «сто восемнадцатый». Потом научный коллектив - автор открытия - отправляет свои предложения в ИЮПАК. Комиссия рассматривает аргументы за и против. В частности, она рекомендует придерживаться следующих правил: «Вновь открытые элементы могут быть названы: (а) по имени мифологического персонажа или понятия (включая астрономический объект); (б) по названию минерала или аналогичного вещества; (в) по названию населённого пункта или географической области; (г) в соответствии со свойствами элемента или (д) по имени учёного…»

Наименования должны ­легко произноситься на большинст­ве известных языков и заключать в себе информацию, позволяющую однозначно классифицировать элемент. Например, все трансураны имеют двухбуквенные символы и оканчиваются на «-ий», если это металлы: резерфордий, дубний, сиборгий, борий…

Получат ли два новых элемента (115 и 118) «российские» имена, станет ясно в ноябре. Но впереди ещё много экспериментов, ведь согласно гипотезе об островах стабильности есть более тяжёлые элементы, которые способны существовать относительно продолжительное время. Такие элементы даже пытаются найти в природе, но вернее будет, если Оганесян синтезирует их на ускорителе.

Досье на новые элементы

Порядковый номер: 113

Как и кем был открыт: мишень из америция‑243 бомбардировали ионами кальция‑48 и получили изотопы унунпентия, которые распались на изотопы 113-го элемента. Синтезирован в 2003 году.

Приоритет в открытии: Институт физико-химических исследований (RIKEN), Япония.

Нынешнее название: унунтрий.

Предполагаемые свойства: тяжёлый легкоплавкий металл.

Предлагаемое название: нихоний (Nihonium, Nh). Этот элемент стал первым, открытым в Азии вообще и в Японии в частности. «Нихоний» - один из двух вариантов самоназвания страны. «Нихон» переводится как «страна восходящего солнца».

Порядковый номер: 115

Как и кем был открыт: мишень из америция‑243 бомбардировали ионами кальция‑48. Синтезирован в 2003 году Приоритет в открытии: коллаборация в составе ОИЯИ (Россия), Ливерморской национальной лаборатории (США) и Окриджской национальной лаборатории (США).

Нынешнее название: унунпентий.

Предполагаемые свойства: металл, похожий на висмут.

Предлагаемое название: московий (Moscovium, Mc). ИЮПАК одобрил название «московий» в честь Московской области, где находятся Дубна и ОИЯИ. Таким образом, этот российский город может уже второй раз оставить след в таблице Менделеева: дубнием давно и официально называется 105-й элемент.

Порядковый номер: 117

Как и кем был открыт: мишень из берклия‑249 обстреливали ионами кальция‑48. Синтезирован в 2009 году. Приоритет в открытии: ОИЯИ, Ливермор, Окридж.

Нынешнее название: унунсептий.

Предполагаемые свойства: формально относится к галогенам вроде йода. Реальные свойства пока не определены. Скорее всего, сочетает характеристики металла и неметалла.

Предлагаемое название: теннессин (Tennessine, Ts). Знак признания заслуг штата Теннесси (США), в том числе Окриджской национальной лаборатории, Университета Вандербильта и Университета Теннесси, в деле синтеза трансуранов.

Порядковый номер: 118

Как и кем был открыт: мишень из калифорния‑249 бомбардировали кальцием‑48. Синтезирован в 2002 году. Приоритет в открытии: ОИЯИ, Ливермор.

Нынешнее название: унуноктий.

Предполагаемые свойства: по химическим характеристикам относится к инертным газам.

Предлагаемое название: оганессон (Oganesson, Og). В честь научного руководителя лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Юрия Оганесяна, внёсшего большой вклад в исследование сверхтяжёлых элементов. Публичное обсуждение возможных наименований продлится до 8 ноября, после чего комиссия примет окончательное решение.

на «Кота Шрёдингера»

Современную материально-техническую базу производства примерно на 90% составляют всего лишь два вида материалов: металлы и керамика. В мире еже­годно производится около 600 млн. т металла - свыше 150 кг. на каждого жи­теля планеты. Примерно столько же производится керамики вместе с кирпи­чом. Изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, производство керамики намного легче в техническом отношении и выгоднее экономически, и, главное, керамика во многих случаях оказыва­ется более подходящим конструк­цион­ным материалом по сравнению с ме­таллом.

С применением новых химических элементов - циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и т.д. в последнее время синтезируют огнеупорную, термостойкую, химостойкую, высо­котвердую керамику, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

Сверхтвердый материал - гексанит-Р как одна из кристалличе­ских разновид­ностей нитрида бора, с температурой плавления свыше 3200 0 С и твердостью, близкой к твердости алмаза, обладает рекордно высокой вязкостью, т. е. он не так хрупок, как все другие керамические материалы. Решена, таким образом, одна из труднейших научно-технических проблем века: до сих пор всей конст­рукционной керамике был присущ общий недостаток - хрупкость, теперь же сделан шаг к его преодолению.

Большое преимущество технической керамики нового со­става в том, что детали машин из нее производятся прессова­нием порошков с получением готовых из­делий заданных форм и размеров.

Сегодня можно назвать еще одно уникальное свой­ство керамики - сверх­проводимость при температурах выше темпе­ратуры кипения азота, это свойство открывает невиданные просторы для на­учно-технического прогресса, для соз­дания сверхмощных двигате­лей и электрогенераторов, создания транспорта на магнитной по­душке, разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космосе и т.д.

Химия кремнийорганических соеди­нений позволила создать многотоннажное производство самых разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водо­отталкивающими, электроизоляционными и другими ценными свойствами. Эти полимеры незаменимы в ряде отраслей энерге­тики и авиапромышленности.

Фтороуглероды - тетравторметан, гексафторэтан и их производные, где атом углерода несет сла­бый положительный заряд, а атом фтора с присущей фтору электроотрицательностью - слабый отрицательный заряд. В результате фторо­углероды обладают исключительной устойчиво­стью даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей, особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси. Поэтому они применяются в качестве мате­риала для протезов внутренних органов человека.

Вопрос 57. Химические процессы и процессы жизнедеятельности. Катализа­торы и ферменты.

Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и живот­ных тканей, так и химических процессов, происходящих в орга­низме. Идея о ведущей роли ферментов, впер­вые предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером (1822-1895), остается основополагающей и по сей день. В то же время изуче­нием моле­кулярного состава и структуры ткани живого и неживого орга­низма занимается статическая биохимия.

Динамическая биохимия родилась на рубеже XVIII и XIX сто­летий, когда на­чали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как некие превращения веществ.

Исследование брожения составляет основной предмет фер­ментологии - стержневой отрасли знаний о процессах жизне­деятельности. На протяжении весьма длительной истории ис­следования процесс биокатализа рассматривался с двух разных точек зрения. Одной из них, условно названной химической, придерживались Ю. Либих и М. Бертло, а другой - биологиче­ской - Л. Пас­тер.

В химической концепции весь катализ сводился к обычному химическому ката­лизу. Несмотря на упрощенный подход в рам­ках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между фермен­тами и катали­заторами; наличие в ферментах двух неравноценных компонен­тов - активных центров и носителей; заключение о важной ро­ли ионов переход­ных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение в отдельных случаях биокатали­за к катализу неорганическими агентами.

В начале развития биологическая концепция не располагала столь обширными экспериментальными подтверждениями. Ее основной опорой были труды Л. Пастера и, в частности, его пря­мые наблюдения за деятельностью молочнокис­лых бактерий, ко­торые позволили выявить брожение и способность микроорга­низмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельно­сти путем бро­жения. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне матери­альной организации ферментов. Однако все его доводы, если и были не опро­вергнуты, то по крайней мере отодвинуты на задний план после открытия вне­клеточного бро­жения, а позиция Пастера была объявлена виталистической.

Однако с течением времени концепция Пастера победила. О перспективно­сти данной концепции свидетельствуют современ­ные эволюционный катализ и молекулярная биология. С одной стороны, установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых су­ществ, вполне доступный для исследования физических и хими­ческих свойств - одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизне­деятельности. С другой стороны, дока­зана исключительная спе­цифичность живого, проявляющаяся не только в выс­ших уров­нях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне, на котором отражаются зако­номерности других уров­ней. Специфичность молекулярного уровня живого заключается в существен­ном различии принци­пов действия катализаторов и ферментов, в различии ме­ханиз­мов образования полимеров и биополимеров, структура которых опреде­ляется только генетическим кодом и, наконец, в своем необычном факте: мно­гие химические реакции окисления-восстановления в живой клетке могут про­исходить без непо­средственного контакта между реагирующими молекулами. А это означает, что в живых системах могут происходить такие химические пре­вращения, которые не обнаруживались в нежи­вом мире.