Напредок во синтезата на нови хемиски елементи. Реакции во кои се менува нуклеарниот полнеж. Акцелератори и можности за синтетизирање на нови елементи. Кој го смисли името за новите елементи?

Најнови дополнувања на периодниот систем се елементите 113 и 115, кои сè уште немаат свои имиња

Подготовка на супертешки елементи 113 и 115 1. Зрак од јони на калциум-48 (еден прикажан) се забрзува до големи брзини во циклотрон и се насочува кон целта на americium-243.

2. Целниот атом е америциум-243. Јадро направено од протони и неутрони и нејасен електронски облак што го опкружува

3. Забрзан јон на калциум-48 и целниот атом (америциум-243) непосредно пред судир

4. Во моментот на судирот се раѓа нов супертежок елемент со сериски број 115 кој живее само околу 0,09 секунди

5. Елементот 115 се распаѓа до елементот 113, кој веќе живее 1,2 секунди, а потоа по синџир од четири алфа се распаѓа, што трае околу 20 секунди

6. Спонтано распаѓање на последната алка во синџирот на алфа распаѓања - елемент 105 (дубниум) на два други атоми

Научниците од два водечки руски и американски нуклеарни истражувачки центри ја напуштија трката за вооружување и, конечно, почнаа да работат, создадоа два нови елементи. Доколку некои независни истражувачи ги потврдат своите резултати, новите елементи ќе бидат наречени „ununtrium“ и „ununpentium“. Хемичарите и физичарите ширум светот, не обрнувајќи внимание на грдите имиња, изразуваат задоволство од ова достигнување. Кен Муди, шеф на американскиот тим со седиште во Ливермор национална лабораторијаЛоренс вели: „Така се отвораат нови перспективи за периодниот систем“.

Периодниот систем на кој се однесува Муди е познат постер што ги краси ѕидовите на секоја просторија каде што може да се сретнат повеќе од двајца хемичари во исто време. Сите го учевме на часови по хемија во средно училиште или помлади години на универзитет. Оваа табела е создадена за да објасни зошто различни елементи се комбинираат на еден, а не на друг начин. Во него се ставаат хемиски елементи во строга согласност со атомската тежина и хемиските својства. Релативната положба на елементот помага да се предвидат односите во кои ќе влезе со другите елементи. По создавањето на 113 и 115 вкупен број познати на наукатаелементите достигнаа 116 (117, ако го сметаме елементот со сериски број 118, чија синтеза беше веќе забележана во Дубна во 2002 година, но ова откритие сè уште не е официјално потврдено. - уредници на ПМ).

Историјата на создавањето на периодниот систем започна во 1863 година (сепак, претходно беа направени срамежливи обиди: во 1817 година, И.В. Добераинер се обиде да комбинира елементи во тријади, а во 1843 година, Л. - Едиторијал „ПМ“), кога младиот француски геолог Alexandre-Émile Beguyer de Chancourtois ги подреди сите тогаш познати елементи во синџир во согласност со нивната атомска тежина. Потоа завиткал лента со оваа листа околу цилиндерот и се покажало дека хемиски слични елементи се наредени во колони. Во споредба со методот на обиди и грешки - единствениот истражувачки пристап, кој го користеа тогашните хемичари - овој трик со лента изгледаше како радикален чекор напред, иако не донесе сериозни практични резултати.

Отприлика во исто време, младиот англиски хемичар Џон А.Р. Њулендс експериментираше на ист начин со релативна положбаелементи. Тој забележа дека хемиските групи се повторуваат на секои осум елементи (како белешки, поради што авторот своето откритие го нарече „закон на октавите“. - уредници на ПМ). Верувајќи дека претстои големо откритие, тој гордо испрати порака до Британското хемиско друштво. За жал! Постарите, поконзервативни членови на ова општество ја убија оваа идеја, прогласувајќи ја за апсурдна, и долги години беше ставена на заборав. (Не треба премногу да ги обвинувате конзервативните научници - „законот на октавите“ правилно ги предвидел својствата на само првите седумнаесет елементи. - уредници на ПМ).

Руска преродба

Во 19 век, размената на научни информации не била толку активна како што е сега. Затоа, не е чудно што поминаа уште пет години пред заживувањето на заборавената идеја. Овој пат увидот дојде до рускиот хемичар Дмитриј Иванович Менделеев и неговиот германски колега Јулиус Лотар Мајер. Работејќи независно еден од друг, дошле до идеја хемиските елементи да се подредат во седум колони. Позицијата на секој елемент беше одредена од неговите хемиски и физички својства. И овде, како што претходно забележаа де Шанкуртоа и Њуланд, елементите спонтано се комбинираа во групи кои може да се наречат „хемиски семејства“.

Менделеев успеа подлабоко да погледне во смислата на она што се случува. Резултатот беше табела со празни ќелии што точно покажува каде да се бараат елементи кои сè уште не биле откриени. Овој увид изгледа уште пофантастично ако се потсетиме дека во тоа време научниците немаа поим за структурата на атомите.

Во текот на следниот век, периодниот систем станува се повеќе и повеќе информативен. Од едноставниот дијаграм прикажан овде, тој прерасна во огромен лист, вклучувајќи специфична тежина, магнетни својства, точки на топење и вриење. Можете исто така да додадете информации за зградата овде. електронска обвивкаатом, како и листа на атомски тежини на изотопи, односно потешки или полесни близнаци што ги имаат многу елементи.

Вештачки елементи

Можеби најважната вест што првите верзии на периодниот систем им ја донесоа на хемичарите беше показател за тоа каде се наоѓаат сè уште неоткриените елементи.

До почетокот на 20 век, меѓу физичарите почна да расте сомнежот дека атомите воопшто не се структурирани како што вообичаено се мислеше. Да почнеме со фактот дека ова воопшто не се монолитни топки, туку волуметриски структури испружени во празен простор. Колку појасни стануваа идеите за микросветот, толку побрзо се пополнуваа празните ќелии.

Директните индикации за празнините во табелата радикално ја забрзаа потрагата по елементи кои сè уште не беа откриени, но всушност беа присутни во природата. Но, кога беше формирана точна теорија која адекватно ја опишува структурата на атомското јадро, нов пристапдо „комплетирање“ на периодниот систем. Беше создадена и тестирана техника за создавање „вештачки“ или „синтетички“ елементи со зрачење на постоечки метали со струи на елементарни честички со висока енергија.

Ако додадете електрично ненаполнети неутрони во јадрото, елементот станува потежок, но неговото хемиско однесување не се менува. Но, како што се зголемува атомската тежина, елементите стануваат сè понестабилни и стекнуваат способност спонтано да се распаѓаат. Кога тоа ќе се случи, некои слободни неутрони и други честички се расфрлаат во околниот простор, но повеќето од протоните, неутроните и електроните остануваат на своето место и се преуредуваат во форма на полесни елементи.

Новодојденците на масата

Овој февруари, истражувачите од LLNL (Националната лабораторија Лоренс Ливермор) и Рускиот заеднички институт за нуклеарни истражувања (JINR), користејќи ја гореопишаната техника на атомско бомбардирање, добија два сосема нови елементи.

Првиот од нив, елементот 115, беше добиен откако америциум беше бомбардиран со радиоактивен изотоп на калциум. (За повикување, америциум, метал кој не се среќава често во секојдневниот живот, се користи во детекторите за чад на обичните аларми за пожар.) Бомбардирањето произведе четири атоми на елементот 115, но по 90 милисекунди тие се распаднаа и создадоа уште едно новороденче - елементот 113. Овие четири атоми живееле речиси една и пол секунда пред да се формираат полесни елементи веќе познати на науката од нив. Вештачките елементи ретко имаат долговечност - нивната вродена нестабилност е последица на прекумерниот број на протони и неутрони во нивните јадра.

И сега - во врска со нивните незгодни имиња. Пред неколку години, Меѓународната унија за чиста и применета хемија (IUPAC), со седиште во Research Triangle Park, N.C. одреди дека новите хемиски елементи треба да добијат културно неутрални имиња. Таквата неутралност може да се постигне ако го користите латинскиот изговор на серискиот број на овој елемент во периодниот систем. Така, броевите 1, 1, 5 ќе се читаат „un, un, pent“, а крајот „ium“ се додава поради јазична кохерентност. (Неутрално латинско име и соодветниот симбол со три букви се дадени на елементот привремено додека Меѓународната унија за чиста и применета хемија не го одобри неговото последно име. Насоките на организацијата, објавени во 2002 година, се дека откривачите имаат приоритет во предлагањето име за нов елемент, по традиција елементите може да се именуваат по митолошки настани или ликови (вклучувајќи небесни тела), минерали, географски региони, својства на елементот, познати научници. - Редакциски одбор „ПМ“).

Дури и ако овие нови елементи не живеат многу долго и не се наоѓаат надвор од ѕидовите на лабораториите, нивното создавање сепак значи повеќе од само полнење на празни ќелии и зголемување на вкупниот број на елементи познати на науката. „Ова откритие ни овозможува да ја прошириме применливоста на основните принципи на хемијата“, вели шефот на Ливермор Муди, „а новите достигнувања во хемијата водат кон создавање нови материјали и развој на нови технологии“.

Во дваесеттиот век, елементи на главните подгрупи Периодичен систембеа помалку популарни од оние лоцирани во секундарните подгрупи. Литиумот, борот и германиумот се најдоа во сенката на нивните скапи соседи - злато, паладиум, родиум и платина. Секако, мора да се признае дека класичните хемиски својства на елементите на главните подгрупи не можат да се споредат со брзите и елегантни процеси во кои учествуваат комплекси на преодни метали (за откривањето на овие реакции се доделени повеќе од една награда). Нобелова награда). Во раните 1970-ти, генерално постоеше мислење меѓу хемичарите дека елементите на главните подгрупи веќе ги откриле сите нивни тајни, а нивното проучување всушност било губење време.

Скриена хемиска револуција

Кога авторот на оваа статија бил студент (тој добил диплома од Универзитетот Казан во 1992 година), тој и многу негови соученици студирале хемија стр-елементите изгледаа како најздодевниот дел. (Се сеќавам дека с-, стр- И г-елементи се оние чии валентни електрони се соодветно зафатени с-, стр- И г-орбитали.) Ни беше кажано во каква форма постојат овие елементи земјината кора, научи методи за нивна изолација, физички својства, типични состојби на оксидација, хемиски својства и практични примени. Беше двојно здодевно за оние кои поминаа низ хемиски олимпијади и ги научија сите овие корисни информации како ученик. Можеби затоа во наше време одделот не е органска хемијане беше многу популарен при изборот на специјализација - сите се обидовме да влеземе во специјалисти за органски или органоелементи, каде што зборуваа за ерата на преодните метали што дојдоа во хемијата, катализирајќи ги сите замисливи и незамисливи трансформации на супстанции.

Во тоа време немаше компјутери или Интернет, сите информации ги добивавме само од апстрактни списанија за хемија и некои странски списанија на кои нашата библиотека беше претплата. Ниту ние, ниту нашите наставници не знаевме дека на крајот на 1980-тите веќе станаа забележливи првите знаци на ренесанса во хемијата на елементите на главните подгрупи. Тогаш тие открија дека е можно да се добијат егзотични форми стр-елементи - силициум и фосфор во ниско-координирани и ниско-оксидирани состојби, но во исто време способни да формираат соединенија кои се доста стабилни на собна температура. Иако за нив практична применаво тој момент немаше разговор, првите успешни примери за синтеза на овие супстанции покажаа дека хемијата на елементите на главните подгрупи е малку потценета и, можеби, ќе дојде време кога стр-елементите ќе можат да излезат од сенките г- и дури ѓ-елементи. На крајот, тоа е она што се случи.

1981 година може да се смета за почетна точка на свртувањето кон елементите на главните подгрупи. Во тоа време беа објавени дури три дела кои ја побиваа идејата дека стабилна двојна или тројна врска може да се формира само ако еден од партнерите на оваа хемиска врска (или уште подобро и двајцата) е елемент од вториот период. Ова „правило на двојни врски“ првпат беше побиено од Роберт Вест од Универзитетот во Висконсин, во чија група тие беа првите што синтетизираа стабилен силен, соединение со двојна врска силикон-силициум, потежок аналог на алкени, познат на сите. од органска хемија ( Науката, 1981, 214, 4527, 1343–1344, doi: 10.1126/science.214.4527.1343). Набргу потоа, истражувачите од Универзитетот во Токио, кои работеа под раководство на Масааки Јошифуџи, објавија синтеза на соединение со двојна врска фосфор-фосфор ( , 1981, 103, 15, 4587-4589; doi:10.1021/ja00405a054). Во истата година, Герд Бекер од Универзитетот во Штутгарт можеше да добие стабилен фосфаалкин, соединение со тројна врска фосфор-јаглерод, што може да се смета како аналог што содржи фосфор на нитрилите на карбоксилна киселина ( Zeitschrift für Naturforschung B, 1981, 36, 16).

Фосфорот и силициумот се елементи од третиот период, па никој не очекуваше такви способности од нив. Во последното соединение, атомот на фосфор е координативно незаситен, и тоа даде надеж дека тој или неговите аналози ќе најдат употреба како катализатори. Причината за надеж беше дека главната задача на катализаторот е да контактира со молекулата на подлогата што треба да се активира; само оние молекули на кои реагенсот лесно може да им пристапи се способни за тоа, а во фосфатите познати на повеќето хемичари, атомот на фосфор. , опкружен со четири групи, во никој случај не може да се нарече пристапен центар.

Главната работа е волуметриската средина

Сите три синтези, објавени во 1981 година, успеаја бидејќи супституентите кои ги опкружуваат главните елементи на подгрупата во нивните нови, егзотични соединенија беа правилно избрани (во хемијата на преодните метали, супституентите се нарекуваа лиганди). Новите деривати добиени од Вест, Јошифуџи и Бекер имаа едно заедничко - гломазните лиганди поврзани со елементите од главните подгрупи стабилизираа силициум или фосфор во ниско координирана состојба која не би била стабилна под други околности. Масовните супституенти ги штитат силициумот и фосфорот од кислородот и водата во воздухот, а исто така ги спречуваат да влезат во реакција на диспропорција и да ги преземат нивните типични состојби на оксидација (+4 и +5 за силициум и фосфор, соодветно) и координативни броеви (четири за двата елементи). Така, силенот беше стабилизиран со четири гломазни мезитил групи (мезитил е 1,3,5-триметилбензен), а фосфаалкин со гломазен терц-бутил супституент.

Откако стана јасно дека гломазните лиганди ги стабилизираат соединенијата во кои стр-елементите не се во висок степеноксидација и/или со низок координативен број, други научници почнаа да се приклучуваат во производството на нови, необични деривати на елементите од главните подгрупи. Од 2000-тите, речиси во секое издание Науката(и од појавувањето на списанието во 2009 г Хемија на природата- речиси во секој број) се известува за некоја егзотична комбинација со елемент од главните подгрупи.

Така, до неодамна, никој не можеше да помисли дека е можно да се добијат и карактеризираат стабилни силилени - еквиваленти на карбени што содржат силикон.

Карбените се високо реактивни видови кај кои двовалентниот и двојно координираниот јаглероден атом има или пар електрони (постабилен единечен карбен) или два одделни неспарени електрони (пореактивен троен карбен). Во 2012 година, Камерон Џонс од австралискиот универзитет Монаш и неговите колеги од Оксфорд и Универзитетскиот колеџ во Лондон го опишаа првиот единечен силилен - двовалентен силикон во него е стабилизиран од гломазен борен лиганд ( Весник на Американското хемиско друштво, 2012, 134, 15, 6500–6503, doi: 10.1021/ja301042u). Силиленот може да се изолира во кристална состојба, а за одбележување е дека останува стабилен на температури до 130°C. Но, во раствор, силиконскиот аналог на карбенот се димеризира за да формира силен или се инкорпорира во C-H врскиалкани, репродуцирајќи ги хемиските својства на нивните карбен аналози.

Хемичарите продолжуваат да добиваат нови органски соединенија кои содржат елементи од главните подгрупи. Конкретно, тие се обидуваат да заменат елемент од вториот период во добро позната структура со сличен елемент од постар период (во овој број на Chemoscope се зборува за подготовка на аналог што содржи фосфор на еден од првите синтетизирани органски супстанции). Друга насока е малку како собирање ретки поштенски марки, само што наместо поштенски марки има хемиски структури. На пример, во 2016 година, Александар Хинц од Оксфорд се обиде да добие циклус кој содржи атоми од четири различни пниктогени (елементи од 5-та група од главната подгрупа од азот до бизмут). Не успеа целосно да го реши проблемот - молекулата со линеарна структура не се затвори во еден циклус. Сепак, молекулата со уникатен Sb-N-As = P синџир, вклучувајќи четири од петте, е исто така импресивна стр-елементи од подгрупата на азот ( Хемија. Европски весник, 2016, 22, 35, 12266–12269, дои: 10.1002/хем.201601916).

Се разбира, невозможно е да се зборува за синтеза на егзотични деривати на елементите на главните подгрупи само како „хемиско собирање“, бидејќи производството на аналози на добро познати органски соединенија, кој содржи елементи од постари периоди, секако е важно за разјаснување на теориите за структурата на хемиските врски. Се разбира, ова не е единствената причина за интересот на хемичарите. Желбата да се најдат области во кои овие супстанции можат да се користат во пракса е токму причината за ренесансата во хемијата на елементите на главните подгрупи.

Уште во 1980-тите, по синтезата на првите супстанции во кои беше забележана ниска координација стр-елементи, хемичарите се надеваа дека таквите координативно незаситени соединенија ќе можат да катализираат многу реакции на ист начин како комплексите на преодните метали. Би било многу примамливо да се разменат скапи соединенија на платина и паладиум за молекули кои содржат само елементи од главните подгрупи. Информации за својствата на необични соединенија што се појавија веќе во овој милениум стр-елементи ги потврдија теоретските предвидувања. Се покажа дека многу од нив активираат јаглеводороди, молекуларен водород и јаглерод диоксид.

Зошто преодните метали се лоши?

Се чини, зошто да се развиваат нови катализатори за процеси кои долго време биле совршено забрзани од дериватите на преодните метали? Покрај тоа, органометалната хемија на преодните елементи не застанува - постојано се отвораат нови аспекти реактивност г-елементи. Но, благородните преодни метали имаат свои недостатоци. Пред сè, цената: најефикасните катализатори за трансформации на органски и органоелементни соединенија се комплексите на родиум, платина и паладиум. Втората тешкотија е исцрпувањето на природните резерви на платина и паладиум. Конечно, друг проблем со катализаторите на платина или паладиум е високата токсичност. Ова е особено точно кога се добиваат лекови, бидејќи нивната цена е значително зголемена со трошоците за прочистување на супстанцијата дури и од трагови на преодни метали. Транзицијата кон нови катализатори барем значително ќе ја намали цената на супстанцијата за лекови, а можеби и ќе го поедностави прочистувањето на целниот производ на реакцијата.

Постојат дополнителни предности што може да ги обезбеди употребата на катализатори базирани на елементи од главните подгрупи. Така, можно е некои познати реакции да се случат под поблаги услови, што значи дека ќе може да се заштеди на енергија. На пример, во 1981 година, во својата работа за синтезата и својствата на првиот силен, Џонс покажа дека соединение со двојна врска силикон-силициум може да го активира водородот на температури дури и пониски од собната температура, додека постоечките индустриски процеси на хидрогенизација бараат употреба на високи температури.

Еден од важните хемиски процеси откриени во новиот милениум е активирањето на молекуларниот водород со помош на дигермин, аналог на алкини што содржи германиум ( Весник на Американското хемиско друштво, 2005, 127, 12232-12233, doi: 10.1021/ja053247a). Овој процес, кој можеби изгледа обичен, е интересен од две причини. Прво, и покрај аналогијата во структурата на алкините и гермините, водородот реагира со вторите не според сценариото карактеристично за јаглеводородите со тројна врска јаглерод-јаглерод (водородот се прикачува на секој од атомите на тројната врска, а герминацијата се претвора во germene), но според механизам типичен за атоми на преодни метали. Овој механизам, како резултат на кој молекула на водород се врзува за елемент и се формираат две нови E-H врски (во опишаниот случај, Ge-H), се нарекува оксидативно додавање и е клучна фаза во многу каталитички процеси кои вклучуваат преодни метали. Второ, иако H 2 може да изгледа како наједноставната и наједноставната молекула, хемиска врскаво него - најсилното од сè што може да се појави помеѓу два идентични елементи, затоа раскинувањето на оваа врска и, соодветно, активирањето на водородот во процесите на каталитичка хидрогенизација е далеку од едноставна задачаод гледна точка на хемиската технологија.

Дали е можно да се направи акцептор донатор?

За да може елементот да подлежи на оксидативно додавање на водород (без разлика каде се наоѓа на Периодниот систем), тој мора да има одредени карактеристики електронска структура. Процес E + H 2 = N-E-N ќе одисамо ако елементот е координативно незаситен и неговата празна орбитала може да прифати електрони од молекуларниот водород. Покрај тоа, енергијата на оваа слободна орбитала треба да биде блиска до енергијата на молекуларната орбитала на водород, која содржи електрони. Напредокот во областа на катализата на хомогени метални комплекси главно се објаснува со фактот дека хемичарите, со менување на структурата на лигандите поврзани со метал, можат да ја менуваат енергијата на неговите орбитали и на тој начин да ги „прилагодат“ на строго дефинираните супстанции кои учествуваат во реакцијата. . Долго време се веруваше дека такво меко прилагодување на енергијата на орбиталите е можно само за г-елементи, сепак, во последната деценија се покажа дека за стр- елементи исто така. Истражувачите ги полагаат своите најголеми надежи на комплексите што содржат азот во кои лигандите, како канџи, го држат координативниот центар (тие се нарекуваат хелатни лиганди, од латинскиот c хела,канџа), како и со релативно нова класа лиганди - Н-хетероциклични карбени.

Успешен пример за второто е работата на Гај Бертранд од Универзитетот во Калифорнија во Сан Диего, во која овие лиганди го стабилизираат атомот на бор ( Науката, 2011, 33, 6042, 610-613, doi: 10.1126/science.1207573). Вообичаено, дериватите на бор, кои содржат само три електрони во нивниот надворешен слој, дејствуваат како класичен акцептор на електрони (Луисова киселина). Факт е дека на борот му требаат уште пет електрони за да стигне до стабилна обвивка од осум електрони, значи три ковалентни врскитој може да формира три свои и три електрони од трета страна, но мора да добие уште два електрони со прифаќање на туѓ електронски пар во неговите празни електронски ќелии. Сепак Н-хетероцикличните карбени се толку силни донатори на електрони што борот поврзан со нив престанува да биде акцептор - станува толку „богат со електрони“ што се менува од Луисова киселина во Луисова база. До неодамна, хемичарите не можеа ни да предвидат толку значајна промена во својствата на добро познатите стр- елемент. И иако работата на Бертранд е сè уште интересна само од теоретска гледна точка, преминот од теорија во пракса во нашево време се случува доста брзо.

Колку е далеку до катализа?

Значи, неодамна синтетизираните деривати на елементите од главните подгрупи можат да влезат во клучните реакции кои ги катализираат комплексите на преодните метали. За жал, дури и гореспоменатото оксидативно додавање на молекуларен водород во атом на силициум или бор е само првиот чекор во низата реакции што мора да се развијат за целосен каталитички циклус. На пример, ако зборуваме за хидрогенизација во присуство на соединенија од главните подгрупи, чиј механизам го репродуцира механизмот на додавање на водород во присуство на Вилкинсоновиот катализатор, тогаш по интеракција со водород стр-елементот мора да формира комплекс со алкенот, потоа мора да дојде до трансфер на хидрид и комплексирање... и сите други чекори кои на крајот ќе доведат до формирање на финалниот производ и регенерација на каталитички активниот вид. Само тогаш една честичка на катализаторот ќе произведе десетици, стотици или дури илјадници молекули од целниот производ. Но, за да функционира таков каталитички циклус, треба да се решат уште многу проблеми - врската елемент-водород формирана како резултат на оксидативно додавање не треба да биде премногу силна (во спротивно нема да дојде до трансфер на хидрид), елементот што додал водородот мора да одржува ниско-координирана состојба за интеракција со алкен и така натаму. Ако пропуштите некој момент, катализаторот ќе исчезне стр-елементот нема да работи, и покрај сличноста на неговото однесување со г-елементи во некои процеси.

Можеби изгледа дека преминот од катализа на метални комплекси во катализа со соединенија на елементи од главните подгрупи е премногу тешка задача и е многу далеку од завршена. Сепак, интерес за хемијата стр-елементите и желбата на синтетичките хемичари да ги заменат катализаторите на платина или паладиум со нешто друго, секако ќе обезбеди пробив во оваа насока. Постои шанса да слушнеме за катализатори засновани на координативно незаситени елементи на главните подгрупи во следната деценија.

Физичарите од Националната лабораторија Ливермор во САД во јануари 2016 година објавија напредок во инерцијално контролираната термонуклеарна фузија. Користејќи нова технологија, научниците успеаја да ја зголемат ефикасноста на таквите инсталации за четири пати. Резултатите од истражувањето беа објавени во списанието Nature Physics, а беа накратко пријавени од Националната лабораторија Ливермор и Универзитетот во Калифорнија во Сан Диего. Лента.ру зборува за нови достигнувања.

Луѓето долго време се обидуваат да најдат алтернатива за изворите на енергија на јаглеводороди (јаглен, нафта и гас). Горивото загадува животната средина. Нејзините резерви брзо се намалуваат. Излезот од ситуацијата - зависност од водните ресурси, како и климата и временските услови - е создавањето на термонуклеарни централи. За да го направите ова, неопходно е да се постигне контролираност на реакциите на термонуклеарна фузија, кои ја ослободуваат енергијата неопходна за луѓето.

Во термонуклеарните реактори, тешките елементи се синтетизираат од лесните (формирање на хелиум како резултат на фузија на деутериум и тритиум). Конвенционалните (нуклеарни) реактори, напротив, работат на распаѓање на тешките јадра во полесни. Но, за фузија потребно е да се загрее водородната плазма на термонуклеарни температури (приближно исти како во јадрото на Сонцето - сто милиони степени Целзиусови или повеќе) и да се одржи во рамнотежна состојба додека не се појави самоодржлива реакција.

Се работи во две перспективни области. Првиот е поврзан со можноста за ограничување на загреана плазма со користење магнетно поле. Реакторите од овој вид вклучуваат токамак (тороидална комора со магнетни намотки) и ѕвездест. Во токамак, електричната струја се пренесува низ плазмата во форма на тороидален кабел; во ѕвездениот, магнетното поле е индуцирано од надворешни намотки.

ITER (Меѓународен термонуклеарен експериментален реактор) во изградба во Франција е токамак, а Wendelstein 7-X, лансиран во декември 2015 година во Германија, е ѕвездест.

Втората ветувачка насока на контролирана термонуклеарна фузија е поврзана со ласери. Физичарите предлагаат користење на ласерско зрачење за брзо загревање и компресирање на материјата до потребните температури и густини, така што, бидејќи се наоѓа во состојба на инерцијално ограничена плазма, обезбедува појава на термонуклеарна реакција.

Инерцијално контролирана термонуклеарна фузија вклучува употреба на два главни методи за запалување на претходно компресирана цел: удар - со помош на фокусиран ударен бран и брза - имплозија (експлозија навнатре) на сферичен водороден слој во внатрешноста на целта. Секој од нив (во теорија) треба да обезбеди оптимална конверзија на ласерската енергија во импулсна енергија и нејзино последователно пренесување до компресирана сферична термонуклеарна цел.

Инсталирањето во Националната постројка за ласерска фузија во САД го користи вториот пристап, кој вклучува одвојување на фазите на компресија и загревање. Ова, според научниците, овозможува да се намали густината на горивото (или неговата маса) и да се обезбедат повисоки фактори на добивка. Греењето се генерира со краток пулс на петават ласер: интензивен електронски зрак ја пренесува својата енергија до целта. Експериментите пријавени во најновата студија беа спроведени во Њујорк во објектот ОМЕГА-60 на Лабораторијата за ласерска енергија на Универзитетот во Рочестер, која вклучува 54 ласери со вкупна енергија од 18 килоџули.

Системот што го проучуваат научниците е структуриран на следниов начин. Целта е пластична капсула со тенок слој од деутериум-тритиум, нанесен на внатрешниот ѕид. Кога капсулата е озрачена со ласер, таа се шири и го принудува водородот што се наоѓа внатре во неа да се собира (во текот на првата фаза), кој се загрева (во текот на втората фаза) до плазма. Плазмата од деутериум и тритиум дава рендгенско зрачењеи притиска на капсулата. Оваа шема овозможува системот да не испарува откако ќе биде зрачен со ласер и обезбедува порамномерно загревање на плазмата.

Во нивните експерименти, научниците внесоа бакар во пластичната обвивка. Кога ласерскиот зрак е насочен кон капсулата, тој ослободува брзи електрони, кои удираат во бакарните индикатори и предизвикуваат нивно емитирање Х-зраци. За прв пат, научниците успеаја да претстават техника за визуелизирање на електроните од К-обвивка, што им овозможува да го следат преносот на енергија од електроните внатре во капсулата и, како резултат на тоа, попрецизно да ги пресметаат параметрите на системот. Важноста на оваа работа е како што следува.

Постигнувањето на висок степен на компресија е попречено од брзите електрони, чија енергија се претвора во голем дел од зрачењето апсорбирано од целта. Слободниот пат на таквите честички се совпаѓа по ред со дијаметарот на целта, како резултат на што се прегрева предвреме и нема време да се компресира до потребните густини. Студијата овозможи да се погледне внатре во целта и да се следат процесите што се случуваат таму, обезбедувајќи нови информации за ласерските параметри неопходни за оптимално зрачење на целта.

Освен во САД, работа поврзана со инерцијална термонуклеарна фузија се врши и во Јапонија, Франција и Русија. Во градот Саров, регионот Нижни Новгород, врз основа на Серускиот научно-истражувачки институт за експериментална физика, во 2020 година се планира да се пушти во употреба двонаменската ласерска инсталација UFL-2M, која, меѓу другите задачи, треба да се користи за проучување на условите на палење и согорување на термонуклеарно гориво.

Ефикасноста на термонуклеарната реакција се дефинира како однос на енергијата ослободена во реакцијата на фузија спрема вкупна енергијапотрошени за загревање на системот до потребните температури. Ако оваа вредност е поголема од еден (сто проценти), ласерскиот реактор за фузија може да се смета за успешен. Во експериментите, физичарите успеаја да пренесат до седум проценти од енергијата на ласерското зрачење на гориво. Ова е четири пати поголема ефикасност од претходно постигнатите системи за брзо палење. Компјутерско моделирањеви овозможува да предвидите зголемување на ефикасноста до 15 проценти.

Објавените резултати ги зголемуваат шансите дека американскиот Конгрес ќе го продолжи финансирањето за мегаџули објекти како што е Националната постројка за ласерска фузија во Ливермор, чија изградба и одржување чинеше повеќе од 4 милијарди долари. И покрај скептицизмот што го придружува истражувањето за фузија, тоа полека но сигурно оди напред. Во оваа област, научниците се соочуваат со не фундаментални, туку технолошки предизвици кои бараат меѓународна соработка и соодветно финансирање.

Современата материјално-техничка база на производство е приближно 90% составена од само два вида материјали: метали и керамика. Годишно во светот се произведуваат околу 600 милиони тони метал - над 150 кг. за секој жител на планетата. Приближно исто количество керамика се произведува заедно со тули. Производството на метал чини стотици и илјадници пати повеќе, производството на керамика е многу полесно технички и економски поисплатливо, а што е најважно, керамиката во многу случаи се покажува како посоодветен структурен материјал во споредба со металот.

Користење на нови хемиски елементи - циркониум, титаниум, бор, германиум, хром, молибден, волфрам итн. Неодамна, синтетизирана е огноотпорна, отпорна на топлина, хемиски отпорна керамика со висока цврстина, како и керамика со сет на специфицирани електрофизички својства.

Супертврд материјал - хексанит-Р, како една од кристалните сорти на нитрид на бор, со точка на топење над 3200 0 C и цврстина блиска до тврдоста на дијамантот, има рекордно висок вискозитет, односно не е кревок како сите други керамички материјали. Така, решен е еден од најтешките научни и технички проблеми на векот: до сега, сите структурни керамики имаа заеднички недостаток - кршливост, но сега е направен чекор за негово надминување.

Големата предност на техничката керамика од новиот состав е тоа што од неа се прават машински делови со пресување на прашоци за да се добијат готови производи со дадени форми и големини.

Денес можеме да наведеме уште едно единствено својство на керамиката - суперспроводливост на температури над точката на вриење на азот; ова својство отвора невиден простор за научен и технолошки напредок, за создавање супермоќни мотори и електрични генератори, создавање транспорт на магнетна левитација. , развој на супермоќни електромагнетни акцелератори за лансирање товари во вселената итн.

Хемијата на органосилициумските соединенија овозможи да се создаде големо производство на широк спектар на полимери со огноотпорни, водоотпорни, електрична изолација и други вредни својства. Овие полимери се незаменливи во голем број енергетски и воздухопловни индустрии.

Флуоројаглеродите се тетрафлуорометан, хексафлуороетан и нивните деривати, каде што јаглеродниот атом носи слаб позитивен полнеж, а атомот на флуор со електронегативност својствена за флуорот има слаб негативен полнеж. Како резултат на тоа, флуоројаглеродите имаат исклучителна стабилност дури и во многу агресивни средини на киселини и алкалии, посебна површинска активност и способност да апсорбираат кислород и пероксиди. Затоа, тие се користат како материјал за протези на човечки внатрешни органи.

Прашање 57. Хемиски процеси и витални процеси. Катализатори и ензими.

Интензивните неодамнешни истражувања беа насочени кон разјаснување и на материјалниот состав на растителните и животинските ткива и на хемиските процеси што се случуваат во телото. Идејата за водечката улога на ензимите, првпат предложена од големиот француски натуралист Луј Пастер (1822-1895), останува фундаментална до ден-денес. Во исто време, статичката биохемија го проучува молекуларниот состав и структурата на ткивото на живите и неживите организми.

Динамичната биохемија се родила на преминот од 18 и 19 век, кога почнале да прават разлика помеѓу процесите на дишење и ферментација, асимилација и дисимилација како одредени трансформации на супстанции.

Истражувањето на ферментацијата ја формира главната тема ферментологија -основна гранка на знаење за животните процеси. Во текот на многу долга историја на истражување, процесот на биокатализа се разгледуваше од две различни гледишта. Едниот од нив, конвенционално наречен хемиски, го придржувале Ј. Либиг и М. Бертелот, а другиот, биолошки, Л. Пастер.

Во хемискиот концепт, целата катализа беше сведена на обична хемиска катализа. И покрај поедноставениот пристап, во рамките на концептот беа воспоставени важни одредби: аналогија помеѓу биокатализа и катализа, помеѓу ензими и катализатори; присуство на две нееднакви компоненти во ензимите - активни центри и носители; заклучок за важната улога на јоните на преодните метали и активните центри на многу ензими; заклучок за проширувањето на законите на хемиската кинетика до биокатализа; намалување во некои случаи на биокатализа до катализа со неоргански агенси.

На почетокот на својот развој, биолошкиот концепт немал толку обемни експериментални докази. Неговата главна поддршка беа делата на Л. Пастер и, особено, неговите директни набљудувања на активноста на бактериите на млечна киселина, што овозможи да се идентификува ферментацијата и способноста на микроорганизмите да ја добијат енергијата што им е потребна за живот преку ферментација. Од неговите набљудувања, Пастер заклучил дека ензимите имаат посебно ниво на материјална организација. Сепак, сите негови аргументи, ако не и побиени, барем беа ставени на втор план по откривањето на екстрацелуларната ферментација, а позицијата на Пастер беше прогласена за виталистичка.

Меѓутоа, со текот на времето, концептот на Пастер победи. Ветувањето на овој концепт е потврдено од модерната еволутивна катализа и молекуларна биологија. Од една страна, утврдено е дека составот и структурата на биополимерните молекули претставуваат единствен сет за сите живи суштества, кој е доста достапен за проучување на физичките и хемиските својства - истите физички и хемиски закони ги регулираат и абиогените процеси и животните процеси.Од друга страна, докажана е исклучителната специфичност на живите суштества, која се манифестира не само во највисоките нивоа на организација на клетките, туку и во однесувањето на фрагменти од живите системи на молекуларно ниво, што ги отсликува моделите на другите нивоа. Специфичноста на молекуларното ниво на живите суштества лежи во значајната разлика во принципите на делување на катализаторите и ензимите, во разликата во механизмите на формирање на полимери и биополимери, чија структура е одредена само со генетскиот код, и , конечно, во својот необичен факт: многу хемиски реакции на оксидација-редукција во жива клетка може да се случат без директен контакт помеѓу молекулите кои реагираат. Ова значи дека хемиските трансформации може да се случат во живи системи кои не се откриени во неживиот свет.

Меѓународната унија за чиста и применета хемија (IUPAC) објави кои имиња ги смета за најсоодветни за четирите нови елементи на периодниот систем. Се препорачува да се именува еден од нив во чест на рускиот физичар, академик Јуриј Оганесјан. Непосредно пред ова, дописникот на КШ се сретна со Јуриј Цолакович и направи долго интервју со него. Но, IUPAC бара од научниците да не коментираат до 8 ноември, кога новите имиња ќе бидат официјално објавени. Без оглед на чие име се појавува во периодниот систем, можеме да констатираме: Русија стана еден од лидерите во трката за трансураниум, која трае повеќе од половина век.

Јуриј Оганесјан.Специјалист во областа на нуклеарната физика, академик на Руската академија на науките, научен директор на Лабораторијата за нуклеарни реакции при ЈИНР, раководител на Катедрата за нуклеарна физика на Универзитетот во Дубна. Како ученик на Георги Флеров, учествувал во синтезата на рутерфордиум, дубниум, мореборгум, бохриум и др. Меѓу откритијата од светски размери е т.н. ладна фузијајадра, што се покажа како исклучително корисна алатка за создавање нови елементи.

Во долните линии на периодниот систем лесно можете да најдете ураниум, неговиот атомски број е 92. Сите последователни елементи сега не постојат во природата и се откриени како резултат на многу сложени експерименти.
Американските физичари Глен Сиборг и Едвин Мекмилан беа првите кои создадоа нов елемент. Така е роден плутониумот во 1940 година. Подоцна, заедно со други научници, Сиборг синтетизирал америциум, куриум, беркелиум... Самиот факт на вештачко проширување на периодниот систем е во извесна смисла споредлив со летот во вселената.

Водечките земји во светот влегоа во трката за создавање на супертешки јадра (по желба може да се направи аналогија со лунарната трка, но овде нашата земја има поголема веројатност да победи). Во СССР, првиот трансураниумски елемент беше синтетизиран во 1964 година од страна на научниците од Заедничкиот институт за нуклеарни истражувања (JINR) во Дубна, Московскиот регион. Тоа беше 104-тиот елемент - наречен рутерфордиум. Проектот го водеше еден од основачите на ЈИНР, Георгиј Флеров. Неговото име е исто така вклучено во табелата: флеровиум, 114. А 105-тиот елемент бил наречен дубниум.

Јуриј Оганесјан бил ученик на Флеров и учествувал во синтезата на рутерфордиум, а потоа и дубниум, морски боргиум, бохриум... Успесите на нашите физичари ја направија Русија лидер во трката за трансураниум заедно со САД, Германија, Јапонија (а можеби и прв меѓу еднаквите).

Новите елементи за кои станува збор - 113, 115, 117, 118 - беа синтетизирани во 2002-2009 година во JINR во циклотронот U-400. Во акцелераторите од овој тип, зраците на тешки наелектризирани честички - протони и јони - се забрзуваат со користење на висока фреквенција електрично поле, со цел потоа да се судрат едни со други или со цел и да се проучат производите од нивното распаѓање.

Сите експерименти беа спроведени од меѓународни соработки речиси истовремено во различни земји. На пример, научниците од јапонскиот институт RIKEN го синтетизираа 113-тиот елемент независно од другите. Како резултат на тоа, приоритет на отворањето им беше даден.

На новиот хемиски елемент прво му е дадено привремено име, изведено од латинскиот број. На пример, ununoctium е „сто и осумнаесетти“. Потоа научниот тим - авторот на откритието - ги испраќа своите предлози до IUPAC. Комисијата ги разгледува аргументите за и против. Особено, таа препорачува да се придржувате до следниве правила: „Новооткриените елементи може да се именуваат: (а) по митолошки лик или концепт (вклучувајќи и астрономски објект); (б) со име на минерална или слична супстанција; (в) со името на локалитет или географска област; (г) во согласност со својствата на елементот или (д) со името на научникот...“

Имињата треба лесно да се изговараат на повеќето јазици. познати јазиции содржи информации што овозможуваат недвосмислено класифицирање на елементот. На пример, сите трансурани имаат симболи со две букви и завршуваат на „-iy“ ако се метали: рутерфордиум, дубниум, морски боргиум, бохриум...

Дали двата нови елементи (115 и 118) ќе добијат „руски“ имиња ќе стане јасно во ноември. Но, претстојат уште многу експерименти, бидејќи според хипотезата за острови на стабилност, постојат потешки елементи кои можат да постојат релативно долго. Тие дури се обидуваат да најдат такви елементи во природата, но би било попрецизно ако Оганесјан ги синтетизира на акцелератор.

Досие за нови елементи

Сериски број: 113

Како и од кого е откриено:целта на америциум-243 била бомбардирана со јони на калциум-48 и биле добиени изотопи на непентиум, кои се распаѓале во изотопи на елементот 113. Синтетизиран во 2003 г.

Приоритет на отворање:Институт за физички и хемиски истражувања (RIKEN), Јапонија.

Тековно име:невоспитани.

Наменети својства:тежок топлив метал.

Предложено име:нихониум (Nh). Овој елемент беше првиот што беше откриен во Азија воопшто и особено во Јапонија. „Нихони“ е една од двете опции за самоимето на земјата. „Нихон“ во превод значи „земја на изгрејсонцето“.

Сериски број: 115

Како и од кого е откриено:Целта на americium-243 беше бомбардирана со јони на калциум-48. Синтетизиран во 2003 година. Приоритет во откритието: соработка составена од JINR (Русија), Livermore National Laboratory (САД) и Oak Ridge National Laboratory (САД).

Тековно име: ununpentium.

Наменети својства:метал сличен на бизмут.

Предложено име:московиум (Moscovium, Mc). IUPAC го одобри името „Москва“ во чест на московскиот регион, каде што се наоѓаат Дубна и ЈИНР. Така, овој руски град може да остави свој белег на периодниот систем по втор пат: дубниумот одамна официјално се нарекува 105-ти елемент.

Сериски број: 117

Како и од кого е откриено:целта на беркелиум-249 била бомбардирана со јони на калциум-48. Синтетизиран во 2009 г. Приоритет за откривање: JINR, Livermore, Oak Ridge.

Тековно име: ununseptium.

Наменети својства:формално се однесува на халогени како јод. Вистинските имоти се уште не се утврдени. Најверојатно, ги комбинира карактеристиките на метал и неметал.

Предложено име:Тенесин (Ts). Како признание за придонесот на државата Тенеси, САД, вклучително и Националната лабораторија Оук Риџ, Универзитетот Вандербилт и Универзитетот во Тенеси, во синтезата на трансураниуми.

Сериски број: 118

Како и од кого е откриено:целта калифорниум-249 беше бомбардирана со калциум-48. Синтетизиран во 2002 г. Приоритет во откривањето: JINR, Ливермор.

Тековно име: ununoctium.

Наменети својства:Од страна на хемиски карактеристикисе однесува на инертни гасови.

Предложено име:оганесон (Оганесон, Ог). Во чест на научен претпоставенЛабораторија за нуклеарни реакции на ЈИНР Јури Оганесјан, кој даде голем придонес во проучувањето на супертешките елементи. Јавната расправа за можните имиња ќе трае до 8 ноември, по што комисијата ќе донесе конечна одлука.

на „Шродингеровата мачка“