Занимательно о химии

Есть такое физическое явление: радиоактивность. Оно состоит в том, что элементы (а точнее, ядра их атомов) могут самопроизвольно разрушаться. Одни ядра исторгают из своих недр электроны. Другие — испускают так называемые альфа-частицы (ядра гелия). Третьи — разваливаются на две примерно равные половинки: этот процесс именуют спонтанным делением.
Все ли элементы радиоактивны? Нет, не все. Главным образом те, что стоят в конце периодической системы, начиная с полония.
Распадаясь, радиоактивный элемент не исчезает вовсе. Он превращается в другой. Эти цепочки радиоактивных превращений могут быть очень длинными.
Например, из тория и урана в конце концов образуется устойчивый свинец. А на этом пути рождается и погибает добрый десяток радиоактивных элементов.
Радиоактивные элементы живучи в разной степени. Одни, прежде чем исчезнуть полностью, существуют десятки миллиардов лет. Жизнь других настолько коротка, что измеряется минутами и даже секундами. Ученые оценивают живучесть радиоактивных элементов с помощью специальной величины: периода полураспада. В этот промежуток времени взятое количество радиоактивного элемента распадается ровно наполовину.
Периоды полураспада урана и тория равны нескольким миллиардам лет.
Совсем иначе обстоит дело с их предшественниками по таблице Менделеева — протактинием, актинием, радием и францием, радоном, астатом и полонием. Их жизнь куда короче: во всяком случае, не больше 100 тысяч лет. А раз так, то возникает неожиданное недоразумение.
Почему, собственно, эти короткоживущие элементы существуют на Земле? Ведь нашей планете что-то около 5 миллиардов лет… За этот трудно вообразимый срок должны были сотни раз исчезнуть и радий и актиний и иже с ними.
Однако живут. И прячутся в земных минералах испокон веку… Словно природа имеет в своем распоряжении «живую» воду, не дающую им погибать.
Дело в другом: просто-напросто они непрерывно рождаются вновь, потому что их питает вечный источник. Земные запасы урана и тория. Ведь пока эти «патриархи» среди радиоактивных элементов совершают долгий и сложный путь превращений в устойчивый свинец, они походя превращаются в промежуточные элементы. И получается, что среди химических элементов мы можем выделить две большие группы — первичных и вторичных.
К первичным относятся все нерадиоактивные элементы и уран с торием, у которых периоды полураспада превышают возраст Земли. Они были свидетелями образования солнечной системы.
Остальные — вторичные.
И все-таки наступит момент, когда периодическая система недосчитается нескольких элементов. Уран и торий — вечный источник вторичных элементов. Однако относительно вечный. Когда-то с лика Земли исчезнут и они. Исчезнут полностью эдак через сотню миллиардов лет. А вместе с ними уйдут в небытие и продукты их радиоактивных превращений.
Один, два, много…
Примерно такими были счетные способности первобытного человека. Его математический аппарат насчитывал всего две количественные величины — «много — мало».
Почти таким же критерием пользовались люди лет сто назад, когда пытались оценивать, сколько каких элементов припасено нашей планетой в ее «закромах».
Широко используются в практике, скажем, свинец, цинк, серебро, стало быть, их много. Значит, это элементы распространенные. А редкие земли (лантаноиды) потому и редкие, что на Земле почти не встречаются. Их мало.
Вот как легко было рассуждать какое-то столетие назад.
Право же, первые ревизоры кладовых химических элементов занимались работой не очень обременительной. Вспоминая об их «деятельности», наши современники весело улыбаются.
Да и как же не улыбнуться, если теперь они точно могут ответить на вопрос: сколько чего? Если они даже могут сказать, сколько атомов каждого элемента содержится в земной коре. Они наверняка знают, что пресловутых редких земель в минералах планеты лишь немногим меньше, чем свинца, цинка и серебра, вместе взятых.
Скрупулезная «бухгалтерия» запасов химических элементов началась с научного подвига. Его совершил американский ученый Фрэнк Кларк. Он проделал более пяти с половиной тысяч химических анализов. Самых различных минералов — из тропиков и из тундры. Самых разнообразных вод — из глухого таежного озера и Тихого океана. Исследовал образцы всевозможных почв с разных концов света.
Двадцать лет продолжался этот титанический труд. Благодаря Кларку и другим ученым человечество получило вполне четкое представление, каких элементов на Земле больше всего.
Так родилась наука геохимия. Она поведала людям такие удивительные истории, какие раньше не могли и присниться.
Вот что оказалось: первые 26 представителей менделеевской таблицы — от водорода до железа — практически образуют всю земную кору. Они составляют 99,7 процента от ее веса. Только «жалких» три десятых процента приходится на долю остальных 67 элементов, встречающихся в природе.
Чего же больше всего на Земле?
Не железа, не меди, не олова, хотя человек пользовался ими тысячелетиями и запасы этих металлов представлялись огромными, неисчерпаемыми. Больше всего — кислорода. Если на одну чашу воображаемых весов положить земные ресурсы кислорода, а на другую — всех прочих элементов, чаши почти уравновесятся. Почти наполовину земная кора состоит из кислорода. Где его только нет: в водах, в атмосфере, в огромном количестве горных пород, в любом животном и растении — всюду кислород играет весьма видную роль.
Четвертая часть земной «тверди» — кремний. Основа основ неорганической природы.
Дальше элементы Земли по своим запасам располагаются в таком порядке: алюминий — 7,4 процента; железо — 4,2; кальций — 3,3; натрий — 2,4; калий и магний — 2,35; водород — 1,0; титан — 0,6.
Вот первая десятка химических элементов в нашей планете.
А чего на Земле всего меньше?
Очень мало золота, платины и ее спутников. Поэтому они и ценятся так дорого.
Но любопытный парадокс: золото было первым из металлов, который стал известен человеку. Платину открыли, когда и слыхом не слыхивали ни о кислороде, ни о кремнии, ни об алюминии.
У благородных металлов есть уникальная особенность. Они встречаются в природе не в виде соединений, а в самородном состоянии. Не надо затрачивать никаких усилий на выплавку. Потому-то их нашли на Земле, именно нашли в столь давние времена.
Однако приз за редкость все-таки принадлежит не им. Этой печальной награды удостаиваются вторичные радиоактивные элементы.
Мы вправе назвать их элементами-призраками.
И геохимики говорят: полония на Земле всего-навсего 9600 тонн, радона и того меньше — 260 тонн, актиния — 26 тысяч тонн. Радий и протактиний настоящие гиганты среди призраков: их в общей сложности около 100 миллионов тонн, но в сравнении с золотом и платиной это ничтожно малое количество. А вот астат и франций неудобно причислить даже к призракам, они нечто еще менее материальное. Земные запасы астата и франция измеряются (смешно сказать!)… миллиграммами.
Имя самого редкого элемента на Земле — астат (69 миллиграммов на всю толщу земной коры). Комментарии, как говорится, излишни.
Первые трансурановые элементы — нептуний и плутоний — тоже, оказывается, существуют на Земле. Они рождаются в природе благодаря очень редким ядерным реакциям урана со свободными нейтронами. Эти призраки «тянут» на сотни и тысячи тонн. А вот о прометии и технеции, в появлении которых также повинен уран (ему свойствен процесс самопроизвольного деления, когда ядра распадаются на два примерно равных осколка), о них прямо-таки нечего сказать. Ученые нашли еле заметные следы технеция, а прометий все еще пытаются отыскать в урановых минералах. Еще не изобрели таких весов, на которых можно было бы взвесить земные «запасы» прометия и технеция.