Napredak u sintezi novih hemijskih elemenata. Reakcije u kojima se mijenja nuklearni naboj. Akceleratori i mogućnosti za sintezu novih elemenata. Ko je smislio naziv za nove elemente?

Najnoviji dodaci periodnom sistemu su elementi 113 i 115, koji još nemaju svoja imena

Priprema superteških elemenata 113 i 115 1. Snop jona kalcijuma-48 (jedan prikazan) se ubrzava do velikih brzina u ciklotronu i usmerava na metu americijuma-243.

2. Ciljni atom je americij-243. Jezgro sačinjeno od protona i neutrona i nejasnog elektronskog oblaka koji ga okružuje

3. Ubrzani ion kalcija-48 i ciljni atom (americij-243) neposredno prije sudara

4. U trenutku sudara rađa se novi superteški element sa serijskim brojem 115, koji živi samo oko 0,09 sekundi

5. Element 115 se raspada do elementa 113, koji već živi 1,2 sekunde, a zatim duž lanca od četiri alfa raspada, koji traje oko 20 sekundi

6. Spontani raspad završne karike u lancu alfa raspada - elementa 105 (dubnium) na druga dva atoma

Naučnici iz dva vodeća ruska i američka nuklearna istraživačka centra odustali su od utrke u naoružanju i, konačno prionuvši poslu, stvorili dva nova elementa. Ako bilo koji nezavisni istraživač potvrdi svoje rezultate, novi elementi će biti nazvani "ununtrijum" i "ununpentium". Hemičari i fizičari širom svijeta, ne obraćajući pažnju na ružna imena, izražavaju oduševljenje ovim dostignućem. Ken Moody, šef američkog tima sa sjedištem u Livermoreu nacionalna laboratorija Lawrence, kaže: “Nove perspektive se tako otvaraju za periodni sistem.”

Periodični sistem na koji se Moody poziva je poznati poster koji krasi zidove svake sobe u kojoj bi se moglo sastati više od dva hemičara u isto vrijeme. Svi smo to učili na časovima hemije u srednjoj školi ili mlađim godinama fakulteta. Ova tabela je napravljena da objasni zašto se različiti elementi kombinuju na jedan, a ne drugi način. Hemijski elementi su smešteni u njemu u strogom skladu sa atomskom težinom i hemijskim svojstvima. Relativni položaj elementa pomaže u predviđanju odnosa u koje će ući s drugim elementima. Nakon stvaranja 113. i 115 ukupan broj poznato nauci elemenata dostigao 116 (117, ako računamo element sa serijskim brojem 118, čija je sinteza već uočena u Dubni 2002. godine, ali ovo otkriće još nije zvanično potvrđeno. - PM urednici).

Istorija stvaranja periodnog sistema počela je 1863. (međutim, stidljivi pokušaji su bili i ranije: 1817. I. V. Döbereiner je pokušao da kombinuje elemente u trijade, a 1843. L. Gmelin je pokušao da proširi ovu klasifikaciju tetradama i pentadama. - Uredništvo "PM"), kada je mladi francuski geolog Alexandre-Émile Beguyer de Chancourtois rasporedio sve tada poznate elemente u lanac u skladu sa njihovom atomskom težinom. Zatim je omotao traku sa ovom listom oko cilindra i ispostavilo se da su hemijski slični elementi poređani u kolonama. U poređenju sa metodom pokušaja i grešaka - jedini istraživački pristup, koji su koristili kemičari tog vremena - ovaj trik s vrpcom izgledao je kao radikalan korak naprijed, iako nije donio ozbiljne praktične rezultate.

Otprilike u isto vrijeme, mladi engleski hemičar John A.R. Newlands je eksperimentirao na isti način sa relativnu poziciju elementi. Napomenuo je da se hemijske grupe ponavljaju svakih osam elemenata (poput nota, zbog čega je autor svoje otkriće nazvao „zakonom oktava.“ - urednici PM). Vjerujući da je veliko otkriće pred nama, s ponosom je prenio poruku Britanskom hemijskom društvu. Avaj! Stariji, konzervativniji članovi ovog društva su tu ideju ubili, proglasili je apsurdnom i dugi niz godina bila predana zaboravu. (Ne treba previše kriviti konzervativne naučnike - "zakon oktava" je tačno predvideo svojstva samo prvih sedamnaest elemenata. - PM urednici).

ruski preporod

U 19. vijeku razmjena naučnih informacija nije bila tako aktivna kao sada. Stoga ne čudi što je prošlo još pet godina do oživljavanja zaboravljene ideje. Ovoga puta uvid je došao do ruskog hemičara Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva i njegovog njemačkog kolege Julija Lotara Majera. Radeći nezavisno jedan od drugog, došli su na ideju da rasporede hemijske elemente u sedam kolona. Položaj svakog elementa određen je njegovim hemijskim i fizičkim svojstvima. I ovdje su se, kao što su de Chancourtois i Newlands ranije primijetili, elementi spontano spojili u grupe koje bi se mogle nazvati "hemijske porodice".

Mendeljejev je uspeo da dublje sagleda značenje onoga što se dešavalo. Rezultat je bila tabela sa praznim ćelijama koja tačno pokazuje gde treba tražiti elemente koji još nisu otkriveni. Ovaj uvid izgleda još fantastičnije ako se prisjetimo da u to vrijeme naučnici nisu imali pojma o strukturi atoma.

Tokom sledećeg veka, periodni sistem je postajao sve informativniji. Iz jednostavnog dijagrama koji je ovdje prikazan, izrastao je u ogromnu ploču, uključujući specifičnu težinu, magnetska svojstva, tačke topljenja i ključanja. Ovdje možete dodati i informacije o zgradi. elektronska školjka atoma, kao i spisak atomskih težina izotopa, odnosno težih ili lakših blizanaca koje mnogi elementi imaju.

Veštački elementi

Možda najvažnija vijest koju su prve verzije periodnog sistema donijele hemičarima bila je naznaka gdje se nalaze još neotkriveni elementi.

Početkom 20. veka među fizičarima je počela da raste sumnja da atomi uopšte nisu strukturirani kako se obično mislilo. Počnimo s činjenicom da to uopće nisu monolitne kugle, već volumetrijske strukture ispružene u praznom prostoru. Što su ideje o mikrosvijetu postajale jasnije, prazne ćelije su se brže popunjavale.

Direktne naznake praznina u tabeli radikalno su ubrzale potragu za elementima koji još nisu bili otkriveni, ali su zaista bili prisutni u prirodi. Ali kada je formirana tačna teorija koja je adekvatno opisala strukturu atomskog jezgra, novi pristup do "kompletiranja" periodnog sistema. Stvorena je i testirana tehnika za stvaranje “vještačkih” ili “sintetičkih” elemenata zračenjem postojećih metala strujama visokoenergetskih elementarnih čestica.

Ako u jezgro dodate električki nenabijene neutrone, element postaje teži, ali se njegovo kemijsko ponašanje ne mijenja. Ali kako se atomska težina povećava, elementi postaju sve nestabilniji i dobijaju sposobnost spontanog raspadanja. Kada se to dogodi, neki slobodni neutroni i druge čestice se raspršuju u okolni prostor, ali većina protona, neutrona i elektrona ostaje na mjestu i preuređuje se u oblik lakših elemenata.

Pridošlice za stolom

Ovog februara istraživači sa LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) i Ruskog združenog instituta za nuklearna istraživanja (JINR), koristeći gore opisanu tehniku ​​atomskog bombardovanja, dobili su dva potpuno nova elementa.

Prvi od njih, element 115, dobiven je nakon što je americij bombardiran radioaktivnim izotopom kalcija. (Za referencu, americij, metal koji se često ne sreće u svakodnevnom životu, koristi se u detektorima dima uobičajenih požarnih alarma.) Bombardovanje je proizvelo četiri atoma elementa 115, ali su se nakon 90 milisekundi raspali i stvorili još jedno novorođenče - element 113. Ovi četiri atoma živjela su skoro jednu i po sekundu prije nego što su od njih nastali lakši elementi koji su već poznati nauci. Umjetni elementi rijetko imaju dugovječnost - njihova inherentna nestabilnost je posljedica prevelikog broja protona i neutrona u njihovim jezgrama.

A sada - u vezi sa njihovim nezgrapnim imenima. Prije nekoliko godina, Međunarodna unija za čistu i primijenjenu hemiju (IUPAC), sa sjedištem u Research Triangle Parku, N.C. doneo je dekret da se novim hemijskim elementima daju kulturno neutralna imena. Takva neutralnost se može postići ako koristite latinski izgovor serijskog broja ovog elementa u periodnom sistemu. Tako će se brojevi 1, 1, 5 čitati "un, un, pent", a završetak "ium" se dodaje zbog jezičke koherentnosti. (Neutralno latinsko ime i odgovarajući simbol od tri slova daju se elementu privremeno dok Međunarodna unija čiste i primenjene hemije ne odobri njegov konačni naziv. Smernice organizacije, objavljene 2002. godine, glase da otkrivači imaju prioritet u predlaganju imena za novi element, prema tradiciji elementi mogu biti imenovani po mitološkim događajima ili likovima (uključujući nebeska tela), minerali, geografske regije, svojstva elementa, poznati naučnici. - Uredništvo "PM").

Čak i ako ti novi elementi ne žive dugo i ne nalaze se izvan zidova laboratorija, njihovo stvaranje i dalje znači više od pukog popunjavanja praznih ćelija i povećanja ukupnog broja elemenata poznatih nauci. “Ovo otkriće nam omogućava da proširimo primjenjivost temeljnih principa hemije,” kaže šef Livermorea Moody, “a novi napredak u hemiji vodi stvaranju novih materijala i razvoju novih tehnologija.”

U dvadesetom veku elementi glavnih podgrupa Periodni sistem bili su manje popularni od onih koji se nalaze u sekundarnim podgrupama. Litijum, bor i germanijum našli su se u senci svojih skupih suseda - zlata, paladijuma, rodijuma i platine. Naravno, mora se priznati da se klasična hemijska svojstva elemenata glavnih podgrupa ne mogu porediti sa brzim i elegantnim procesima u kojima učestvuju kompleksi prelaznih metala (dodeljeno je više od jedne nagrade za otkriće ovih reakcija). nobelova nagrada). Početkom 1970-ih, među hemičarima je općenito vladalo mišljenje da su elementi glavnih podgrupa već otkrili sve svoje tajne, a njihovo proučavanje je zapravo bilo gubljenje vremena.

Skrivena hemijska revolucija

Kada je autor ovog članka bio student (diplomirao je na Kazanskom univerzitetu 1992. godine), on i mnogi njegovi kolege su studirali hemiju str-elementi su se činili najdosadnijim odeljkom. (Zapamtite da s-, str- I d-elementi su oni čiji su valentni elektroni zauzeti s-, str- I d-orbitale.) Rečeno nam je u kom obliku ti elementi postoje zemljine kore, podučavao metode za njihovu izolaciju, fizička svojstva, tipična oksidaciona stanja, hemijska svojstva i praktične primene. Bilo je dvostruko dosadno onima koji su prošli kroz hemijske olimpijade i naučili sve ove korisne informacije kao školarac. Možda zato u naše vrijeme odjel nije organska hemija nije bio baš popularan pri odabiru specijalizacije - svi smo pokušavali da uđemo u stručnjake za organe ili organoelemente, gdje su govorili o eri prijelaznih metala koja je došla u hemiju, katalizirajući sve zamislive i nezamislive transformacije supstanci.

U to vrijeme nije bilo ni kompjutera ni interneta, sve smo informacije dobijali samo iz apstraktnih časopisa o hemiji i nekih stranih časopisa na koje je naša biblioteka bila pretplaćena. Ni mi ni naši učitelji nismo znali da su krajem 1980-ih već postali uočljivi prvi znaci renesanse u hemiji elemenata glavnih podgrupa. Tada su otkrili da je moguće dobiti egzotične oblike str-elementi - silicijum i fosfor u nisko koordinisanom i nisko oksidovanom stanju, ali u isto vreme sposobni da formiraju jedinjenja koja su prilično stabilna na sobnoj temperaturi. Mada o njima praktična primjena u tom trenutku nije bilo govora, prvi uspješni primjeri sinteze ovih supstanci pokazali su da je hemija elemenata glavnih podgrupa malo podcijenjena i da će možda doći vrijeme kada str-elementi će moći izaći iz sjene d- i čak f-elementi. Na kraju, to se i dogodilo.

1981. godina se može smatrati početnom tačkom zaokreta prema elementima glavnih podgrupa. Tada su objavljena čak tri rada koja pobijaju ideju da stabilna dvostruka ili trostruka veza može nastati samo ako je jedan od partnera ove hemijske veze (ili još bolje, oba) element drugog perioda. Ovo "pravilo dvostrukih veza" prvi je opovrgnuo Robert West sa Univerziteta u Wisconsinu, u čijoj grupi su prvi sintetizirali stabilan silen, spoj s dvostrukom vezom silicijum-silicijum, teži analog alkena, svima poznat. iz organske hemije ( Nauka, 1981, 214, 4527, 1343–1344, doi: 10.1126/science.214.4527.1343). Ubrzo nakon toga, istraživači sa Univerziteta u Tokiju, koji su radili pod vodstvom Masaakija Yoshifujija, izvijestili su o sintezi jedinjenja s dvostrukom vezom fosfor-fosfor ( , 1981, 103, 15, 4587–4589; doi:10.1021/ja00405a054 ). Iste godine, Gerd Becker sa Univerziteta u Stuttgartu uspio je dobiti stabilan fosfaalkin, spoj s trostrukom vezom fosfor-ugljik, koji se može smatrati analogom nitrila karboksilne kiseline koji sadrži fosfor ( Zeitschrift für Naturforschung B, 1981, 36, 16).

Fosfor i silicijum su elementi trećeg perioda, pa niko nije očekivao takve mogućnosti od njih. U posljednjem spoju, atom fosfora je koordinativno nezasićen, a to je dalo nadu da će on ili njegovi analozi naći upotrebu kao katalizatori. Razlog za nadu je bio da je glavni zadatak katalizatora da kontaktira molekulu supstrata koju treba aktivirati; za to su sposobni samo oni molekuli kojima se reagens može lako približiti, au fosfatima poznatim većini kemičara, atom fosfora , okružen sa četiri grupe, nikako ga nije moguće nazvati pristupačnim centrom.

Glavna stvar je volumetrijsko okruženje

Sve tri sinteze, objavljene 1981. godine, uspjele su jer su supstituenti koji okružuju glavne elemente podgrupe u njihovim novim, egzotičnim jedinjenjima pravilno odabrani (u hemiji prijelaznih metala, supstituenti su se zvali ligandi). Novi derivati ​​koje su dobili West, Yoshifuji i Becker imali su jednu zajedničku stvar - glomazni ligandi povezani s elementima glavnih podgrupa stabilizirali su silicijum ili fosfor u nisko koordinisanom stanju koje ne bi bilo stabilno pod drugim okolnostima. Masivni supstituenti štite silicijum i fosfor od kiseonika i vode u vazduhu, a takođe ih sprečavaju da uđu u reakciju disproporcionalnosti i preuzmu svoja tipična oksidaciona stanja (+4 i +5 za silicijum i fosfor, respektivno) i koordinacione brojeve (četiri za oba elementa). Tako je silen stabiliziran sa četiri glomazne mezitil grupe (mezitil je 1,3,5-trimetilbenzen), a fosfaalkin glomaznim terc-butil supstituentom.

Jednom je postalo jasno da glomazni ligandi stvaraju spojeve u kojima str-elementi nisu unutra visok stepen oksidacije i/ili sa niskim koordinacionim brojem, drugi naučnici su počeli da se pridružuju proizvodnji novih, neobičnih derivata elemenata glavnih podgrupa. Od 2000-ih, u gotovo svakom broju Nauka(i od pojave časopisa 2009 Nature Chemistry- u gotovo svakom broju) se navodi neka egzotična kombinacija sa elementom glavnih podgrupa.

Tako, donedavno, niko nije mogao pomisliti da će biti moguće dobiti i karakterizirati stabilne sililene - ekvivalente karbena koji sadrže silicijum.

Karbeni su visoko reaktivne vrste u kojima dvovalentni i dvostruko koordinirani atom ugljika ima ili par elektrona (stabilniji singlet karben) ili dva odvojena nesparena elektrona (reaktivniji triplet karben). 2012. godine, Cameron Jones sa australijskog univerziteta Monash i njegove kolege sa Oksforda i University College London opisali su prvi singlet sililen - dvovalentni silicijum u njemu je stabilizovan glomaznim borovim ligandom ( Journal of the American Chemical Society, 2012, 134, 15, 6500–6503, doi: 10.1021/ja301042u). Sililen se može izolovati u kristalnom stanju, a važno je napomenuti da ostaje stabilan na temperaturama do 130°C. Ali u rastvoru, silicijumski analog karbena dimerizuje se da formira silen ili se u njega ugrađuje C-H priključci alkani, reprodukujući hemijska svojstva njihovih karbenskih analoga.

Hemičari nastavljaju da dobijaju nova organska jedinjenja koja sadrže elemente glavnih podgrupa. Konkretno, pokušavaju zamijeniti element drugog perioda u dobro poznatoj strukturi sličnim elementom starijeg perioda (u ovom broju Chemoskopa govori se o pripremi analoga koji sadrži fosfor jednog od prvih sintetiziranih organskih supstance). Drugi pravac je pomalo kao sakupljanje rijetkih maraka, samo što umjesto markica postoje hemijske strukture. Na primjer, 2016. Alexander Hinz iz Oksforda je pokušao da dobije ciklus koji sadrži atome četiri različita pniktogena (elementi 5. grupe glavne podgrupe od dušika do bizmuta). Nije uspio u potpunosti riješiti problem – molekul s linearnom strukturom nije se zatvorio u ciklusu. Međutim, molekul s jedinstvenim Sb-N-As = P lancem, uključujući četiri od pet, također je impresivan str-elementi podgrupe azota ( Chemisrty. Evropski časopis, 2016, 22, 35, 12266–12269, doi: 10.1002/chem.201601916).

Naravno, nemoguće je govoriti o sintezi egzotičnih derivata elemenata glavnih podgrupa samo kao o "hemijskom sakupljanju", budući da se proizvodnja analoga dobro poznatih organska jedinjenja, koji sadrži elemente starijih perioda, svakako je važan za pojašnjenje teorija o strukturi hemijskih veza. Naravno, to nije jedini razlog interesovanja hemičara. Želja da se pronađu područja u kojima se ove supstance mogu koristiti u praksi je upravo razlog za renesansu u hemiji elemenata glavnih podgrupa.

Još 1980-ih, nakon sinteze prvih supstanci u kojima je uočena slaba koordinacija str-elementima, kemičari su se nadali da će takva koordinativno nezasićena jedinjenja moći katalizirati mnoge reakcije na isti način kao kompleksi prijelaznih metala. Bilo bi vrlo primamljivo zamijeniti skupa jedinjenja platine i paladijuma za molekule koji sadrže samo elemente glavnih podgrupa. Informacije o svojstvima neobičnih spojeva koji su se pojavili već u ovom milenijumu str-elementi potvrđena teorijska predviđanja. Pokazalo se da mnogi od njih aktiviraju ugljikovodike, molekularni vodik i ugljični dioksid.

Zašto su tranzicioni metali loši?

Čini se, zašto razvijati nove katalizatore za procese koji su dugo bili savršeno ubrzani derivatima prijelaznih metala? Osim toga, organometalna kemija prijelaznih elemenata ne miruje - sve vrijeme se otvaraju nove aspekte reaktivnost d-elementi. Ali plemeniti prijelazni metali imaju svoje nedostatke. Prije svega, cijena: najefikasniji katalizatori za transformaciju organskih i organoelementnih spojeva su kompleksi rodija, platine i paladijuma. Druga poteškoća je iscrpljivanje prirodnih rezervi platine i paladija. Konačno, još jedan problem sa platinskim ili paladijumskim katalizatorima je visoka toksičnost. Ovo se posebno odnosi na nabavku lijekova, jer je njihova cijena značajno povećana troškom pročišćavanja tvari čak i od tragova prelaznih metala. Prijelaz na nove katalizatore će barem značajno smanjiti cijenu ljekovite supstance, a moguće i pojednostaviti pročišćavanje ciljanog produkta reakcije.

Postoje dodatne prednosti koje može pružiti upotreba katalizatora baziranih na elementima glavnih podgrupa. Dakle, moguće je da će se neke poznate reakcije odvijati u blažim uslovima, što znači da će se moći uštedjeti na energiji. Na primjer, još 1981. godine, u svom radu na sintezi i svojstvima prvog silena, Jones je pokazao da spoj s dvostrukom vezom silicijum-silicijum može aktivirati vodik na temperaturama čak nižim od sobne temperature, dok postojeći industrijski procesi hidrogenacije zahtijevaju upotreba visokih temperatura.

Jedan od važnih hemijskih procesa otkrivenih u novom milenijumu je aktivacija molekularnog vodika uz pomoć digermina, analoga alkina koji sadrži germanijum ( Journal of the American Chemical Society, 2005, 127, 12232–12233, doi: 10.1021/ja053247a). Ovaj proces, koji može izgledati uobičajeno, zanimljiv je iz dva razloga. Prvo, uprkos analogiji u strukturi alkina i germina, vodik reaguje sa ovim potonjim ne prema scenariju karakterističnom za ugljovodonike sa trostrukom vezom ugljik-ugljik (vodik se veže za svaki od atoma trostruke veze, a klica se pretvara u germene), ali prema mehanizmu tipičnom za atome prelaznih metala. Ovaj mehanizam, kao rezultat kojeg se molekula vodika vezuje za element i nastaju dvije nove E-H veze (u opisanom slučaju, Ge-H), naziva se oksidativno dodavanje i ključna je faza u mnogim katalitičkim procesima koji uključuju prijelazne metale. Drugo, iako H 2 može izgledati kao najjednostavniji i najjednostavniji molekul, hemijska veza u njemu - najjači od svega što može nastati između dva identična elementa, stoga je prekid ove veze i, shodno tome, aktivacija vodika u procesima katalitičke hidrogenacije daleko od jednostavan zadatak sa stanovišta hemijske tehnologije.

Da li je moguće od akceptora napraviti donora?

Da bi element bio podvrgnut oksidativnom dodavanju vodonika (bez obzira na to gdje se nalazi u periodnom sistemu), mora imati određene karakteristike elektronska struktura. Proces E + H 2 = N-E-N će otići samo ako je element koordinativno nezasićen i njegova prazna orbitala može prihvatiti elektrone iz molekularnog vodonika. Štaviše, energija ove slobodne orbitale trebala bi biti bliska energiji molekularne orbitale vodika, koja sadrži elektrone. Napredak na polju katalize homogenih metalnih kompleksa uglavnom se objašnjava činjenicom da kemičari, promjenom strukture liganada povezanih s metalom, mogu mijenjati energiju njegovih orbitala i tako ih „prilagoditi“ strogo određenim supstancama koje sudjeluju u reakciji. . Dugo se vjerovalo da je takvo meko podešavanje energije orbitala moguće samo za d-elementima, međutim, u poslednjoj deceniji se pokazalo da za str-elementi takođe. Istraživači svoje najveće nade polažu u komplekse koji sadrže dušik u kojima ligandi, poput kandži, drže koordinacioni centar (oni se nazivaju kelirajući ligandi, od latinskog c hela, kandža), kao i sa relativno novom klasom liganada - N-heterociklični karbeni.

Uspješan primjer potonjeg je rad Guya Bertranda sa Univerziteta Kalifornije u San Diegu, u kojem ovi ligandi stabiliziraju atom bora ( Nauka, 2011, 33, 6042, 610–613, doi: 10.1126/science.1207573). Tipično, derivati ​​bora, koji sadrže samo tri elektrona u svom vanjskom sloju, djeluju kao klasični akceptor elektrona (Lewisova kiselina). Činjenica je da je boru potrebno još pet elektrona da bi došao do stabilne ljuske od osam elektrona, tako da tri kovalentne veze on može formirati tri svoja i tri elektrona treće strane, ali mora dobiti još dva elektrona tako što će prihvatiti tuđi elektronski par u svoje prazne elektronske ćelije. kako god N-heterociklični karbeni su toliko jaki donori elektrona da bor povezan s njima prestaje biti akceptor - postaje toliko "bogat elektronima" da prelazi iz Lewisove kiseline u Lewisovu bazu. Do nedavno, hemičari nisu mogli ni predvidjeti tako značajnu promjenu u svojstvima dobro poznatog str-element. I premda je Bertrandov rad još uvijek zanimljiv samo s teorijske točke gledišta, prijelaz iz teorije u praksu u naše vrijeme događa se prilično brzo.

Koliko je daleko do katalize?

Dakle, nedavno sintetizirani derivati ​​elemenata glavnih podgrupa mogu ući u ključne reakcije koje kataliziraju komplekse prijelaznih metala. Nažalost, čak i gore spomenuto oksidativno dodavanje molekularnog vodika atomu silicija ili bora samo je prvi korak u slijedu reakcija koje se moraju razviti za potpuni katalitički ciklus. Na primjer, ako govorimo o hidrogenaciji u prisustvu spojeva glavnih podgrupa, čiji mehanizam reproducira mehanizam dodavanja vodika u prisutnosti Wilkinsonovog katalizatora, onda nakon interakcije s vodikom str-element mora formirati kompleks sa alkenom, zatim mora doći do transfera hidrida i kompleksiranja... i svih ostalih koraka koji će u konačnici dovesti do stvaranja konačnog proizvoda i regeneracije katalitički aktivnih vrsta. Samo tada će jedna čestica katalizatora proizvesti desetine, stotine ili čak hiljade molekula ciljnog proizvoda. Ali da bi takav katalitički ciklus funkcionirao, potrebno je riješiti još mnogo problema - veza element-vodik nastala kao rezultat oksidativnog dodavanja ne bi trebala biti prejaka (inače neće doći do prijenosa hidrida), element koji je dodao vodonik mora održavati nisko koordinisano stanje za interakciju sa alkenom i tako dalje. Ako propustite neki trenutak, katalizator će nestati str-element neće raditi, uprkos sličnosti njegovog ponašanja sa d-elementi u nekim procesima.

Može se činiti da je prelazak sa katalize metalnih kompleksa na katalizu spojevima elemenata glavnih podgrupa pretežak zadatak i veoma je daleko od završetka. Međutim, interesovanje za hemiju str-elementi i želja sintetičkih hemičara da platine ili paladijum katalizatore zamene nečim drugim sigurno će omogućiti iskorak u ovom pravcu. Postoji šansa da ćemo u narednoj deceniji čuti o katalizatorima baziranim na koordinativno nezasićenim elementima glavnih podgrupa.

Fizičari iz Livermorske nacionalne laboratorije u Sjedinjenim Državama su u januaru 2016. izvijestili o napretku u inercijskoj kontrolisanoj termonuklearnoj fuziji. Koristeći novu tehnologiju, naučnici su uspeli da učetvorostruče efikasnost takvih instalacija. Rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Nature Physics, a ukratko su ih izvijestili Livermore National Laboratory i Univerzitet Kalifornije u San Diegu. Lenta.ru govori o novim dostignućima.

Ljudi već dugo pokušavaju pronaći alternativu izvorima energije ugljikovodika (ugalj, nafta i plin). Sagorevanje goriva zagađuje okruženje. Njegove rezerve se brzo smanjuju. Izlaz iz situacije - ovisnost o vodnim resursima, kao i klimi i vremenskim prilikama - je stvaranje termonuklearnih elektrana. Da bi se to postiglo, potrebno je postići upravljivost reakcija termonuklearne fuzije, koje oslobađaju energiju potrebnu za ljude.

U termonuklearnim reaktorima teški elementi se sintetiziraju iz lakih (formiranje helija kao rezultat fuzije deuterija i tricija). Konvencionalni (nuklearni) reaktori, naprotiv, rade na raspadu teških jezgara u lakša. Ali za fuziju je potrebno zagrijati vodikovu plazmu na termonuklearne temperature (otprilike iste kao u jezgru Sunca - sto miliona stepeni Celzijusa ili više) i održavati je u ravnotežnom stanju sve dok ne dođe do samoodržive reakcije.

Radovi se izvode u dvije perspektivne oblasti. Prvi je povezan s mogućnošću ograničavanja korištenja zagrijane plazme magnetsko polje. Reaktori ovog tipa uključuju tokamak (toroidalna komora sa magnetnim zavojnicama) i stelarator. U tokamaku se električna struja propušta kroz plazmu u obliku toroidnog kabla; u stelaratoru magnetsko polje inducira se vanjskim zavojnicama.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) u izgradnji u Francuskoj je tokamak, a Wendelstein 7-X, lansiran u decembru 2015. u Njemačkoj, je stelarator.

Drugi obećavajući pravac kontrolirane termonuklearne fuzije povezan je s laserima. Fizičari predlažu korištenje laserskog zračenja za brzo zagrijavanje i sabijanje materije na potrebne temperature i gustoće kako bi, u stanju inercijalno zatvorene plazme, osigurala nastanak termonuklearne reakcije.

Inercijalno kontrolirana termonuklearna fuzija uključuje korištenje dvije glavne metode zapaljenja prethodno komprimirane mete: udar - korištenjem fokusiranog udarnog vala i brza - implozija (eksplozija prema unutra) sfernog vodonikovog sloja unutar mete. Svaki od njih (u teoriji) bi trebao osigurati optimalnu konverziju laserske energije u impulsnu energiju i njen naknadni prijenos na komprimiranu sfernu termonuklearnu metu.

Instalacija u Nacionalnom postrojenju za lasersku fuziju u Sjedinjenim Državama koristi drugi pristup, koji uključuje odvajanje faza kompresije i zagrijavanja. Ovo, prema naučnicima, omogućava smanjenje gustine goriva (ili njegove mase) i pruža veće faktore pojačanja. Zagrijavanje se stvara kratkim impulsom petavat lasera: intenzivan snop elektrona prenosi svoju energiju na metu. Eksperimenti prijavljeni u najnovijoj studiji sprovedeni su u Njujorku u OMEGA-60 postrojenju na Univerzitetu u Ročesteru Laser Energy Laboratory, koji uključuje 54 lasera sa ukupnom energijom od 18 kilodžula.

Sistem koji proučavaju naučnici strukturiran je na sljedeći način. Meta je plastična kapsula sa tankim slojem deuterijum-tricijuma nanetim na unutrašnji zid. Kada se kapsula ozrači laserima, ona se širi i prisiljava vodonik koji se nalazi u njoj da se skuplja (tokom prve faze), koji se zagrijava (tokom druge faze) u plazmu. Plazma od deuterija i tricijuma daje rendgensko zračenje i pritiska na kapsulu. Ova šema omogućava sistemu da ne ispari nakon zračenja laserom i osigurava ravnomjernije zagrijavanje plazme.

U svojim eksperimentima, naučnici su uveli bakar u plastičnu školjku. Kada se laserski snop usmjeri na kapsulu, oslobađa brze elektrone, koji udaraju u bakrene indikatore i uzrokuju njihovo emitiranje X-zrake. Po prvi put, naučnici su mogli da predstave tehniku ​​za vizualizaciju elektrona K-ljuske, koja im omogućava da prate prenos energije elektronima unutar kapsule i kao rezultat toga preciznije izračunaju parametre sistema. Značaj ovog rada je sljedeći.

Postizanje visokog stepena kompresije ometaju brzi elektroni, čija se energija pretvara u veliki deo zračenja koje apsorbuje meta. Slobodni put takvih čestica poklapa se po redu s promjerom mete, zbog čega se ona prerano pregrijava i nema vremena da se stisne do potrebne gustoće. Studija je omogućila da se pogleda unutar mete i da se prate procesi koji se tamo dešavaju, dajući nove informacije o parametrima lasera neophodnim za optimalno zračenje mete.

Osim u Sjedinjenim Državama, radovi na inercijskoj termonuklearnoj fuziji izvode se u Japanu, Francuskoj i Rusiji. U gradu Sarov, oblast Nižnji Novgorod, na bazi Sveruskog naučno-istraživačkog instituta za eksperimentalnu fiziku, 2020. godine planira se puštanje u rad laserske instalacije UFL-2M dvostruke namjene, koja će, između ostalih zadataka, treba koristiti za proučavanje uslova paljenja i sagorevanja termonuklearnog goriva.

Efikasnost termonuklearne reakcije definira se kao omjer energije oslobođene u reakciji fuzije prema ukupna energija utrošeno na zagrijavanje sistema na potrebne temperature. Ako je ova vrijednost veća od jedan (sto posto), laserski fuzijski reaktor se može smatrati uspješnim. U eksperimentima su fizičari uspjeli prenijeti do sedam posto energije laserskog zračenja na gorivo. Ovo je četiri puta veća efikasnost od prethodno postignutih sistema brzog paljenja. Računarsko modeliranje omogućava vam da predvidite povećanje efikasnosti do 15 posto.

Objavljeni rezultati povećavaju izglede da će američki Kongres proširiti sredstva za megadžul objekte kao što je National Laser Fusion Facility u Livermoreu, čija izgradnja i održavanje koštaju više od 4 milijarde dolara. Unatoč skepticizmu koji prati istraživanje fuzije, ono se polako ali sigurno kreće naprijed. U ovoj oblasti, naučnici se suočavaju ne sa fundamentalnim, već sa tehnološkim izazovima koji zahtevaju međunarodnu saradnju i adekvatno finansiranje.

Modernu materijalno-tehničku bazu proizvodnje čine oko 90% samo dvije vrste materijala: metali i keramika. Godišnje se u svijetu proizvede oko 600 miliona tona metala - preko 150 kg. za svakog stanovnika planete. Otprilike ista količina keramike proizvodi se zajedno sa ciglom. Proizvodnja metala košta stotine i hiljade puta više, proizvodnja keramike je mnogo lakša tehnički i ekonomski isplativija, a što je najvažnije, keramika se u mnogim slučajevima pokazuje kao prikladniji konstrukcijski materijal u odnosu na metal.

Koristeći nove hemijske elemente - cirkonijum, titanijum, bor, germanijum, hrom, molibden, volfram itd. Nedavno je sintetizovana keramika otporna na vatru, toplotu, otpornost na hemikalije, visoke tvrdoće, kao i keramika sa skupom određenih elektrofizičkih svojstava.

Supertvrdi materijal - heksanit-R, kao jedna od kristalnih varijanti bor nitrida, sa tačkom topljenja preko 3200 0 C i tvrdoćom bliskom tvrdoći dijamanta, ima rekordno visok viskozitet, odnosno nije tako krhak kao svi ostali keramički materijali. Time je riješen jedan od najtežih naučnih i tehničkih problema stoljeća: do sada je sva konstrukcijska keramika imala zajednički nedostatak - krhkost, ali je sada učinjen korak da se ona prevaziđe.

Velika prednost tehničke keramike novog sastava je u tome što se od nje izrađuju mašinski delovi presovanjem prahova da bi se dobili gotovi proizvodi zadatih oblika i veličina.

Danas možemo nazvati još jedno jedinstveno svojstvo keramike - supravodljivost na temperaturama iznad tačke ključanja azota; ovo svojstvo otvara neviđeni prostor za naučni i tehnološki napredak, za stvaranje super-moćnih motora i električnih generatora, stvaranje transporta magnetne levitacije , razvoj super-moćnih elektromagnetnih akceleratora za lansiranje korisnog tereta u svemir, itd.

Hemija organosilicijumskih jedinjenja omogućila je stvaranje velike proizvodnje širokog spektra polimera sa vatrootpornim, vodoodbojnim, električnom izolacijom i drugim vrednim svojstvima. Ovi polimeri su nezamjenjivi u brojnim energetskim i zrakoplovnim industrijama.

Fluorougljici su tetrafluorometan, heksafluoroetan i njihovi derivati, gdje atom ugljika nosi slab pozitivni naboj, a atom fluora sa elektronegativnošću svojstvenom fluoru ima slab negativni naboj. Kao rezultat toga, fluorougljici imaju izuzetnu stabilnost čak iu vrlo agresivnom okruženju kiselina i lužina, posebnu površinsku aktivnost i sposobnost apsorpcije kisika i peroksida. Zbog toga se koriste kao materijal za proteze ljudskih unutrašnjih organa.

Pitanje 57. Hemijski procesi i vitalni procesi. Katalizatori i enzimi.

Intenzivna nedavna istraživanja usmjerena su na rasvjetljavanje kako materijalnog sastava biljnih i životinjskih tkiva, tako i kemijskih procesa koji se odvijaju u tijelu. Ideja o vodećoj ulozi enzima, koju je prvi predložio veliki francuski prirodnjak Louis Pasteur (1822-1895), ostaje temeljna do danas. Istovremeno, statička biohemija proučava molekularni sastav i strukturu tkiva živih i neživih organizama.

Dinamička biohemija rođena je na prijelazu iz 18. u 19. stoljeće, kada su počeli razlikovati procese disanja i fermentacije, asimilacije i disimilacije kao određene transformacije tvari.

Istraživanje fermentacije je glavni predmet fermentologija - osnovna grana znanja o životnim procesima. Tokom veoma duge istorije istraživanja, proces biokatalize je razmatran sa dva različita gledišta. Jednog od njih, konvencionalno nazvanog hemijskim, pridržavali su se J. Liebig i M. Berthelot, a drugog, biološkog, pridržavao se L. Pasteur.

U hemijskom konceptu, sva kataliza je svedena na običnu hemijsku katalizu. Uprkos pojednostavljenom pristupu, u konceptu su uspostavljene važne odredbe: analogija između biokatalize i katalize, između enzima i katalizatora; prisustvo dvije nejednake komponente u enzimima - aktivni centri i nosači; zaključak o važnoj ulozi jona prelaznih metala i aktivnih centara mnogih enzima; zaključak o proširenju zakona kemijske kinetike na biokatalizu; redukcija u nekim slučajevima biokatalize na katalizu neorganskim agensima.

Na početku svog razvoja, biološki koncept nije imao tako opsežne eksperimentalne dokaze. Njegov glavni oslonac bili su radovi L. Pasteura, a posebno njegova direktna zapažanja aktivnosti bakterija mliječne kiseline, što je omogućilo identifikaciju fermentacije i sposobnosti mikroorganizama da fermentacijom dobiju energiju potrebnu za život. Iz svojih zapažanja, Pasteur je zaključio da enzimi imaju poseban nivo materijalne organizacije. Međutim, svi njegovi argumenti, ako ne i opovrgnuti, barem su gurnuti u drugi plan nakon otkrića ekstracelularne fermentacije, a Pasteurov stav je proglašen vitalističkim.

Međutim, vremenom je Pasteurov koncept pobijedio. O obećanju ovog koncepta svjedoče moderna evolucijska kataliza i molekularna biologija. S jedne strane, ustanovljeno je da sastav i struktura molekula biopolimera predstavljaju jedinstven skup za sva živa bića, koji je prilično pristupačan za proučavanje fizičkih i hemijskih svojstava - isti fizički i hemijski zakoni upravljaju i abiogenim procesima i životnim procesima. S druge strane, dokazana je izuzetna specifičnost živih bića koja se manifestuje ne samo u najvišim nivoima ćelijske organizacije, već iu ponašanju fragmenata živih sistema na molekularnom nivou, što odražava obrasce drugih nivoa. Specifičnost molekularnog nivoa živih bića leži u značajnoj razlici u principima delovanja katalizatora i enzima, u razlici u mehanizmima stvaranja polimera i biopolimera, čija je struktura određena samo genetskim kodom, i , konačno, u svojoj neobičnoj činjenici: mnoge kemijske reakcije oksidacije-redukcije u živoj ćeliji mogu se dogoditi bez direktnog kontakta između reagujućih molekula. To znači da se hemijske transformacije mogu dogoditi u živim sistemima koji nisu otkriveni u neživom svijetu.

Međunarodna unija čiste i primijenjene hemije (IUPAC) objavila je koja imena smatra najprikladnijim za četiri nova elementa periodnog sistema. Preporučljivo je nazvati jedan od njih u čast ruskog fizičara, akademika Jurija Oganesiana. Nedugo prije toga, dopisnik KSh-a se sastao s Jurijem Solakovičem i napravio dug intervju s njim. Ali IUPAC traži od naučnika da ne komentarišu do 8. novembra, kada će nova imena biti zvanično objavljena. Bez obzira čije se ime nalazi u periodnom sistemu, možemo konstatovati: Rusija je postala jedan od lidera u transuranijumskoj trci, koja traje više od pola veka.

Yuri Oganesyan. Specijalista iz oblasti nuklearne fizike, akademik Ruske akademije nauka, naučni direktor Laboratorije za nuklearne reakcije JINR, šef Katedre za nuklearnu fiziku Univerziteta u Dubni. Kao učenik Georgija Flerova učestvovao je u sintezi ruterfordijuma, dubnijuma, siborgija, borijuma itd. Među otkrića svetske klase je i tzv. hladna fuzija nuclei, što se pokazalo kao izuzetno koristan alat za stvaranje novih elemenata.

U donjim redovima periodnog sistema možete lako pronaći uranijum, njegov atomski broj je 92. Svi naknadni elementi sada ne postoje u prirodi i otkriveni su kao rezultat vrlo složenih eksperimenata.
Američki fizičari Glenn Seaborg i Edwin MacMillan prvi su stvorili novi element. Tako je nastao plutonijum 1940. godine. Kasnije je, zajedno sa drugim naučnicima, Seaborg sintetizovao americijum, kurijum, berkelijum... Sama činjenica veštačkog širenja periodnog sistema u nekom je smislu uporediva sa letom u svemir.

Vodeće zemlje svijeta ušle su u trku za stvaranje super-teških jezgara (po želji bi se mogla povući analogija sa lunarnom trkom, ali ovdje je veća vjerovatnoća da će naša zemlja pobijediti). U SSSR-u, prvi transuranski element sintetizirali su 1964. godine naučnici iz Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja (JINR) u Dubni u Moskovskoj oblasti. Bio je to 104. element - nazvan ruterfordijum. Projekat je vodio jedan od osnivača JINR Georgij Flerov. Njegovo ime je takođe uključeno u tabelu: flerovijum, 114. A 105. element se zvao dubnij.

Jurij Oganesjan je bio Flerovov učenik i učestvovao je u sintezi ruterfordijuma, a zatim dubnijuma, siborgija, borijuma... Uspjesi naših fizičara učinili su Rusiju liderom u trci transuranija zajedno sa SAD, Njemačkom, Japanom (a možda i prvi među jednakima).

Novi elementi o kojima je reč - 113, 115, 117, 118 - sintetizovani su 2002–2009 u JINR na ciklotronu U-400. U akceleratorima ovog tipa, snopovi teških nabijenih čestica - protona i jona - ubrzavaju se visokofrekventnim električno polje, kako bi ih potom sudarili međusobno ili sa metom i proučavali produkte njihovog raspadanja.

Svi eksperimenti su sprovedeni od strane međunarodne saradnje gotovo istovremeno različite zemlje. Na primjer, naučnici sa japanskog instituta RIKEN sintetizirali su 113. element nezavisno od ostalih. Kao rezultat toga, prioritet otvaranja je dat njima.

Novi hemijski element prvo dobija privremeno ime, izvedeno iz latinskog broja. Na primjer, ununoctium je "sto osamnaesti". Tada naučni tim - autor otkrića - šalje svoje prijedloge IUPAC-u. Komisija razmatra argumente za i protiv. Posebno preporučuje da se pridržavate sljedećih pravila: „Novootkriveni elementi mogu se nazvati: (a) prema mitološkom liku ili konceptu (uključujući astronomski objekt); (b) imenom minerala ili slične supstance; (c) imenom lokaliteta ili geografskog područja; (d) u ​​skladu sa svojstvima elementa ili (e) po imenu naučnika..."

Imena bi trebala biti laka za izgovor na većini jezika. poznatim jezicima i sadrže informacije koje omogućavaju da se element nedvosmisleno klasifikuje. Na primjer, svi transurani imaju simbole od dva slova i završavaju na "-iy" ako su metali: rutherfordium, dubnium, seaborgium, bohrium...

Da li će dva nova elementa (115 i 118) dobiti "ruska" imena, biće jasno u novembru. No, pred nama je još mnogo eksperimenata, jer prema hipotezi o ostrvima stabilnosti postoje teži elementi koji mogu postojati relativno dugo. Čak pokušavaju pronaći takve elemente u prirodi, ali bi bilo preciznije da ih Oganesyan sintetizira na akceleratoru.

Dosije o novim elementima

Serijski broj: 113

Kako i ko ga je otkrio: meta americijuma-243 bombardovana je jonima kalcijuma-48 i dobijeni su izotopi ununpentijuma, koji su se raspadali u izotope elementa 113. Sintetizovano 2003.

Prioritet otvaranja: Institut za fizička i hemijska istraživanja (RIKEN), Japan.

Trenutni naziv: ununtry.

Predviđene nekretnine: teški topljivi metal.

Predloženo ime: nihonijum (Nh). Ovaj element je bio prvi koji je otkriven u Aziji općenito, a posebno u Japanu. "Nihonii" je jedna od dvije opcije za samoimenovanje zemlje. "Nihon" se prevodi kao "zemlja izlazećeg sunca".

Serijski broj: 115

Kako i ko ga je otkrio: Cilj americijuma-243 je bombardovan jonima kalcijuma-48. Sintetizirano 2003. Prioritet u otkriću: saradnja koju čine JINR (Rusija), Livermore National Laboratory (SAD) i Oak Ridge National Laboratory (SAD).

Trenutni naziv: ununpentium.

Predviđene nekretnine: metal sličan bizmutu.

Predloženo ime: moscovium (Moscovium, Mc). IUPAC je odobrio naziv „Moskva“ u čast Moskovskog regiona, gde se nalaze Dubna i JINR. Tako ovaj ruski grad može po drugi put ostaviti trag u periodnom sistemu: dubnij se već dugo zvanično naziva 105. element.

Serijski broj: 117

Kako i ko ga je otkrio: meta berkelijum-249 bombardovana je jonima kalcijuma-48. Sintetizovano 2009. Prioritet za otkrivanje: JINR, Livermore, Oak Ridge.

Trenutni naziv: ununseptium.

Predviđene nekretnine: formalno se odnosi na halogene poput joda. Stvarna svojstva još nisu utvrđena. Najvjerovatnije kombinira karakteristike metala i nemetala.

Predloženo ime: Tennessine (Ts). Kao priznanje za doprinos države Tennessee, SAD, uključujući Oak Ridge National Laboratory, Vanderbilt University i University of Tennessee, sintezi transuranija.

Serijski broj: 118

Kako i ko ga je otkrio: meta kalifornija-249 bombardovana je kalcijumom-48. Sintetizovano 2002. Prioritet u otkriću: JINR, Livermor.

Trenutni naziv: ununoctium.

Predviđene nekretnine: By hemijske karakteristike odnosi se na inertne gasove.

Predloženo ime: oganesson (Oganesson, Og). U čast naučni nadzornik Laboratorija za nuklearne reakcije JINR Yuri Oganesyan, koji je dao veliki doprinos proučavanju superteških elemenata. Javna rasprava o mogućim imenima trajaće do 8. novembra, nakon čega će komisija donijeti konačnu odluku.

o "Šrodingerovoj mački"