Одни из самых популярных химических вопросов : "Сколько сейчас известно химических элементов?", "Сколько существует химических элементов?", "Кто их открыл?", "Откуда взялись названия химических элементов?"
Эти вопросы не имеют простого и однозначного ответа.
Что значит "известно"? Встречаются в доступной нам природе? На земле, в воде, в космосе? Получены и изучены их свойства, свойства их соединений?
Свойства чего? Веществ в виде конкретных фаз (газ, жидкость, твёрдое состояние), раствор или на атомно-молекулярном уровне? Имеющиеся современные технологии позволяют обнаруживать и несколько атомов... Но, по отдельному атому свойства химических соединений данного элемента в форме вещества не определить.
А что значит "существуют"? В практическом плане это понятно: наличествуют в природе в таком количестве и столько времени, чтобы они и их соединения могли оказывать реальное влияние на природные явления. Или хотя бы можно было изучить их свойства в лаборатории.
Таковых химических элементов в природе выявлено около 88. Почему около? Потому, что среди элементов с порядковым номером менее 92 (до урана) в природе отсутствуют технеций (43) и франций (87). Практически нет астата (85). Нет прометия (61).
С другой стороны, и нептуний (93) и плутоний (94) (нестабильные трансурановые элементы) обнаруживаются в природе там, где встречаются урановые руды.
Все химические элементы следующие после плутония Pu в периодической системе Д.И.Менделеева в земной коре практически отсутствуют, хотя некоторые из них несомненно образуются в космосе во время взрывов сверхновых звёзд. Но долго они не живут...
Любопытно открытие франция - элемента № 87. Этот элемент "придумал" Д.И.Менделеев, который, на основе созданной им периодической таблицы, предположил, что в группе щелочных металлов не хватает наиболее тяжёлого названного им экацезием.
Сейчас известно, что франция в земной коре присутствует не более 30 грамм. Это радиоактивный элемент и самый долгоживущий его изотоп франций-210 имеет период полураспада 19,3 минуты.
Франций можно считать последним элементом открытым на Земле как содержащимся в природе ( Маргарет Пере, ученица Марии Склодовской-Кюри, в 1929 году; официально признан и получил название в 1938 году).
Все последующие элементы были получены через радиоактивный распад химических элементов и с применением ускорителей заряженных частиц.
К настоящему времени ученые синтезировали 26 трансурановых элементов, начиная с нептуния (N=93) и заканчивая элементом с номером N=118 (номер элемента соответствует числу протонов в ядре атома и числу электронов вокруг ядра атома).
Трансурановые химические элементы от 93 до 100 получают в ядерных реакторах, а остальные - в результате ядерных реакций на ускорителях частиц. Технология получения трансурановых элементов на ускорителях принципиально понятна: разгоняют подходящие положительно заряженные остовы ядер элементов электрическим полем до нужных скоростей (порядка 0,1 скорости света) и сталкивают их с мишенью, содержащей другие более тяжёлые элементы - происходят процессы слияния и распада атомных ядер различных элементов. Продукты этих процессов анализируют и делают выводы об образовании новых элементов.
Немецкие ученые из Центра по изучению тяжелых ионов Гельмгольца в серии экспериментов 2013-2014 годов планировали получить следующий, 119 элемент таблицы Менделеева, но потерпели неудачу. Они обстреливали ядра берклия (N=97) ядрами титана (N=22), однако анализ данных эксперимента не подтвердил наличия нового элемента.
В настоящее время можно считать идентифицированным существование ста восемнадцати химических элементов. Сообщения об обнаружении 119-го - первого элемента 8 периода - можно пока считать вероятно достоверными.
Были заявления о синтезе элемента унбиквадий (124) и косвенные свидетельства об элементах унбинилий (120) и унбигексий (126), - но эти результаты ещё находятся в стадии подтверждения.
Сейчас, наконец, все, из официально известных и доказанных на сегодня 118 элементов, имеют утвержденные ИЮПАК общепризнанные названия. Не так давно самым тяжёлым из элементов, имеющих официально признанное название, был 116-й элемент, получивший его в мае 2012 года - ливерморий. Тогда же было официально утверждено название 114-го элемента - флеровий.
Кстати, нет никаких строгих правил именования химических элементов. В соот ветствии с традицией, их названия могут быть связаны с мифологическими персонажами или космическими объектами (например, уран или кобальт).
Элементы называли по минералам, из которых они были извлечены ("кальций" - от латинского названия извести - calx - или "самарий" - от минерала самарксита, названного именем горного инжененра Василия Самарского-Быховца). Или от названия географических мест или организаций. Например, названия химических элементов "эрбий", "тербий", "иттербий" и "иттрий" происходят от имени неприметного шведского городка Иттербю, в окресностях которого наличиствуют богатые залежи редкоземельных элементов. Иногда название элемента отражает его свойства или влияние на окружающих : название "азот" от др.-греч. — безжизненный), "аргон" от др.-греч. — ленивый, медленный, неактивный. Эти названия подчёркивали важнейшие свойства элементов.
В Периодической таблице Менделеева 14 элементов названы в честь 15 великих учёных, включая Марию и Пьера Кюри.
Сколько химических элементов вообще можно получить? Теоретически предсказывается возможность синтеза элементов с номерами 121-126. Это числа протонов в ядрах элементов. Проблема нижней границы таблицы Менделеева остаётся одной из важнейших в современной теоретической химии.
У каждого химического элемента имеется несколько изотопов. Изотопы - это атомы в ядрах которых имеется одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов. Мир атомных ядер химических элементов очень разнообразен. Сейчас известно около 3500 ядер, отличающихся друг от друга либо числом протонов, либо числом нейтронов, либо тем и другим. Большинство из них получено искусственным путём. Вопрос очень интересный - сколько у данного элемента может быть изотопов?
Известно 264 ядра атомов, которые стабильны, то есть не испытывают со временем никаких быстрых самопроизвольных превращений. Распадов.
Остальные ядра в количестве 3236 подвержены различным видам радиоактивного распада: альфа-распаду (испускание альфа-частиц - ядер атома гелия); бета-распаду (одновременное испускание электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино, а также поглощение электрона с испусканием нейтрино); гамма-распаду (испускание фотонов - электромагнитных волн высокой энергии).
Из известных химических элементов периодической системы Менделеева, которые встречаются на Земле, только для 75 имеются точно и общепризнанно установленные авторы их открывшие - обнаружившие и строго идентифицированные. Только при этих условиях - обнаружение и идентификация - признаётся факт открытия химического элемента.
В действительном открытии - выделение в чистом виде и изучении свойств - химических элементов, встречающихся в природе, участвовали учёные всего лишь девяти стран: Швеция (22 элемента), Англия (19 элементов), Франция (15 элементов), Германия (12 элементов). На Австрию, Данию, Россию, Швейцарию и Венгрию приходится открытие остальных 7 элементов.
Иногда указывают Испанию (платина) и Финляндию (иттрий - в 1794 году в шведском минерале из Иттербю финский химик Юхан Гадолин обнаружил оксид неизвестного элемента). Но платина, как благородный металл, была известна в самородном виде с древних времён - в чистом виде из руд платина была получена английским химиком У.Волластоном в 1803 году. Этот учёный более известен как открыватель минерала волластонита.
Металлический иттрий впервые получил в 1828 г. немецкий ученый Фридрих Велер.
Рекордсменом среди "охотников" за химическими элементами можно считать шведского химика К. Шееле - он обнаружил и доказал существование 6-ти химических элементов: фтора, хлора, марганца, молибдена, бария, вольфрама.
К достижениям в находках химических элементов этого учёного можно добавить ещё и седьмой элемент - кислород, но честь открытия которого он официально делит с английским учёным Дж. Пристли.
Второе место в открытии новых элементов принадлежит В.Рамзаю -
английскому или, точнее, шотландскому учёному: им открыты аргон, гелий, криптон, неон, ксенон. Кстати, открытие "гелия" очень оригинально. Это первое не "химическое" открытие химического элемента. Сейчас этот метод называется "Абсорбционная спектрофотометрия". Оно приписывается сейчас У.Рамзаю, но было сделано другими учёными. Так часто бывает.
18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, при полном солнечном затмении в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Он настроил спектроскоп таким образом, что спектр короны Солнца удалось наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. Он выявил наряду с линиями водорода — синей, зелено-голубой и красной — яркую жёлтую линию, первоначально принятую им за линию натрия. Жансен написал об этом во Французскую академию наук.
Впоследствии было установлено, что эта ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов.
Через 27 лет после этого первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому учёному-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D3 гелия.
23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение о своём открытии гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло. Так и получилось название этого химического элемента. От древнегреческого наименования солнечного божества - Гелиос. Первое открытие сделанное спектральным методом. Абсорбционная спектроскопия.
Во всех случаях у Рамзая были соавторы: В.Крукс (Англия) - гелий; В. Рэлей (Англия) - аргон; М. Траверс (Англия) - криптон, неон, ксенон.
По 4 элемента обнаружили:
И. Берцелиус (Швеция) - церий, селен, кремний, торий;
Г. Деви (Англия) - калий, кальций, натрий, магний;
П. Лекок де Буабодран (Франция) - галлий, самарий, гадолиний, диспрозий.
На долю России приходится открытие только одного из природных элементов : рутения (44). Название этого элемента происходит от позднелатинского названия России - Ruthenia. Этот элемент открыл профессор Казанского университета Карл Клаус в 1844 году.
Карл-Эрнст Карлович Клаус был русским химиком, автором ряда трудов по химии металлов платиновой группы, первооткрывателем химического элемента рутения. Он родился в 11 (22) января 1796 - 12 (24) марта 1864) в Дерпте, старинном русском городе Юрьеве (ныне Тарту), в семье художника. В 1837 году защитил диссертацию на степень магистра и был назначен адъюнктом по кафедре химии в Казанском университете. С 1839 года стал профессором химии Казанского университета, а с 1852 года – профессором фармации Дерптского университета. В 1861 году стал Членом-корреспондентом Петербургской Академии наук.
То, что большинство известных в природе химических элементов, было открыто учёными Швеции, Англии, Франции и Германии, вполне понятно - в 18-19 веках, когда и были открыты эти элементы, именно в данных странах был наиболее высокий уровень развития химии и химической технологии.
Ещё любопытен вопрос: а женщины-учёные открывали химические элементы?
Да. Но немного. Это Мария Складовская-Кюри, открывшая в 1898 году вместе с мужем П.Кюри полоний (название дано в честь её родины Польши) и радий, Лиза Мейтнер, принимавшая участие в открытии протактиния (1917 год), Ида Ноддак (Такке), обнаружившая в 1925 году совместно с будущим мужем В.Ноддаком рений, и Маргарита Перей, за которой в 1938 году было официально признано открытие элемента франция и она стала первой женщиной, избранной во Французскую академию наук (!!!).
В таблице Менделеева до 2016 года имелось четыре элемента, названия которых связанны с Россией: рутений (44), самарий (63) - от названия минерала самарскита, открытого русским горным инженером В.М.Самарским в Ильменских горах,- менделеевий (101) и дубний (105).
История названия этого 105-го элемента любопытна. Впервые этот элемент был получен на ускорителе в Дубне в 1970 году группой Г.Н.Флёрова путём бомбардировки ядер 243Am ионами 22Ne и независимо в Беркли (США) в ядерной реакции 249Cf + 15N = 260Db + 4n.
Советские исследователи предложили назвать новый элемент нильсборием (Ns), в честь великого датского учёного Нильса Бора, американцы — ганием (Ha), в честь Отто Гана, одного из авторов открытия спонтанного деления урана.
Рабочая группа ИЮПАК в 1993 году сделала вывод, что честь открытия элемента 105 должна быть разделена между группами из Дубны и Беркли. Комиссия ИЮПАК в 1994 году предложила название жолиотий (Jl), в честь Жолио-Кюри. До этого элемент официально назывался латинским числительным - уннилпентиумом (Unp), то есть просто 105-м элементом. Символы Ns, На, Jl можно и сейчас видеть в таблицах элементов, изданных в прежние годы. Например, на ЕГЭ по химии 2013 года. Согласно окончательному решению ИЮПАК в 1997 году этот элемент получил название "дубний" — в честь российского центра по исследованиям в области ядерной физики, наукограда Дубны.
В Объединенном институте ядерных исследований Дубны в разное время были впервые синтезированы сверхтяжелые химические элементы с порядковыми номерами 113–118. Элемент под номером 114 был назван "флеровий" - в честь Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флёрова Объединённого института ядерных исследований, где и был синтезирован этот элемент.
За последние 50 лет Периодическая система Д.И. Менделеева пополнилась 17 новыми элементами (102–118), из которых в ОИЯИ синтезировано 9. В том числе в последние 10 лет – 5 наиболее тяжелых (сверхтяжелых) элементов, замыкающих периодическую таблицу…
Впервые 114-й элемент - с "магическим" числом протонов (магические числа - ряд натуральных чётных чисел, соответствующих количеству нуклонов в атомном ядре, при котором становится полностью заполненной какая-либо его оболочка: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (последнее число - только для нейтронов) - был получен группой физиков под руководством Ю.Ц.Оганесяна в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна, Россия) с участием учёных из Ливерморской национальной лаборатории (Ливермор, США; коллаборацией Дубна-Ливермор) в декабре 1998 года путём синтеза изотопов этого элемента посредством реакции слияния ядер кальция с ядрами плутония. Название 114-го элемента было утверждено 30 мая 2012 года: "флеровий" (Flerovium) и символическое обозначение Fl. Тогда же был назван 116 элемент – "ливерморий" (Livermorium) – Lv (кстати, время жизни этого элемента – 50 миллисекунд).
В настоящее время синтез трансурановых элементов в основном проводится в четырех странах: США, России, Германии и Японии. В России новые элементы получают в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, в США - в Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннеси и Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе, в Германии - в Центре по изучению тяжелых ионов Гельмгольца (он же - Институт тяжелых ионов) в Дармштадте, в Японии - в Институте физико-химических исследований (RIKEN).
За авторство создания 113-го элемента давно шла борьба между Японией и российско-американской группой ученых. Японские ученые во главе с Косукэ Моритой синтезировали 113-й элемент в сентябре 2004 года, разогнав на ускорителе и столкнув цинк-30 и висмут-83. Им удалось зафиксировать три цепочки распада, соответствующие цепочкам рождения 113-го элемента в 2004, 2005 и 2012 годах.
Российские и американские ученые объявили о создании 113-го элемента в процессе синтеза 115-го элемента в Дубне в феврале 2004 года и предложили назвать его беккерелием. По имени выдающегося физика Антуана Анри Беккереляя (фр. Antoine Henri Becquerel; 15 декабря 1852 — 25 августа 1908) — французский физик, лауреат Нобелевской премии по физике и один из первооткрывателей радиоактивности.
Наконец, в начале 2016 года в периодическую таблицу Менделеева официально добавлены названия четырёх новых химических элементов. Элементы с атомными номерами 113, 115, 117 и 118 верифицированы Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC).
Честь открытия 115-го, 117-го и 118-го элементов присуждена команде российских и американских ученых из Объединенного института ядерных исследований в Дубне, Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии и Окриджской национальной лаборатории в Теннесси.
До последнего времени эти элементы (113, 115, 117 и 118) носили не самые звучные названия унунтрий (Uut), унунпентий (Uup), унунсептий (Uus) и унуноктий (Uuo), однако в течение ближайших пяти месяцев первооткрыватели элементов смогут дать им новые, окончательные имена.
Открывателями 113-го элемента официально признаны ученые из японского Института естественных наук (RIKEN). В честь этого элемент рекомендовали назвать "японием". Право придумать названия остальным новым элементам предоставлено первооткрывателям, на что им отводилось пять месяцев, после чего их официально утвердит совет IUPAC.
115-й элемент предложено назвать "московием" в честь Подмосковья!
Свершилось! 8 июня 2016 года Международный союз теоретической и прикладной химии озвучил рекомендованные названия для 113-го, 115-го, 117-го и 118-го элементов таблицы Менделеева. Об этом сообщается на сайте союза.
Один из новых сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева за номером 113 официально получил название "нихоний" и символ Nh. Соответствующее объявление сделал японский институт естественных наук "Рикэн", специалисты которого ранее открыли этот элемент.
Слово "нихоний" является производным от местного названия страны — "Нихон".
Международный союз теоретической и прикладной химии утвердил названия новым элементом за номерами 113, 115, 117 и 118 - нихоний(Nh), московий (Mc), тенессин (Ts) и оганессон (Og).
113-й элемент назван в честь Японии, 115-й — в честь Московской области, 117-й — по названию американского штата Теннеси, 118-й — в честь российского ученого академика РАН Юрия Оганесяна.
В 2019 году Россия и весь мир отмечают 150-летие открытия Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодической таблицы и закона, послужившего основой современной химии.
В честь юбилея Генеральная ассамблея ООН единогласно приняла решение о проведении Международного года Периодической системы элементов Менделеева.
"Что дальше?" - спрашивает Юрий Оганесян — научный руководитель лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне, где были открыты последние пять элементов периодической таблицы, в том числе и элемент-118, оганесон.
"Понятно, что на этом таблица Менделеева не заканчивается и нужно попробовать получить 119-й и 120-й элементы. Но для этого придется совершить ту же технологическую революцию, которая помогла нам вырваться в лидеры в 1990-е годы, повысить интенсивность пучка частиц на несколько порядков и сделать детекторы настолько же более чувствительными", — подчеркивает физик.
К примеру, сейчас ученые получают один атом флеровия в неделю, обстреливая мишень триллионами частиц в секунду. Более тяжелые элементы (скажем, оганесон) удается синтезировать лишь раз в месяц. Соответственно, работа на нынешних установках потребует астрономически много времени.
Эти трудности российские исследователи рассчитывают преодолеть при помощи циклотрона ДЦ-280, запущенного в декабре прошлого года. Плотность вырабатываемого им пучка частиц в 10-20 раз выше, чем у предшественников, что, как надеются отечественные физики, позволит создать один из двух элементов ближе к концу года.
Первым, скорее всего, синтезируют 120-й элемент, так как калифорниевая мишень, необходимая для этого будет готова в американской Национальной лаборатории в Ок-Ридже. Пробные пуски ДЦ-280, нацеленные на решение этой задачи, пройдут в марте этого года.
Ученые считают, что постройка нового циклотрона и детекторов поможет приблизиться к ответу на еще один фундаментальный вопрос: где перестает действовать периодический закон?"
"Есть ли разница между синтетическим и естественным элементом? Когда мы открываем их и вписываем в таблицу, там ведь не указано, откуда они взялись. Главное, чтобы они подчинялись периодическому закону. Но сейчас об этом, как мне кажется, уже можно говорить в прошедшем времени", — отмечает Оганесян.
Сотрудники Объединенного института ядерных исследований готовы осуществить первый пуск уникальной по мировым меркам научной установки — «Фабрики СТЭ» для синтеза новых сверхтяжелых химических элементов и исследований недавно открытых. Центральной частью «фабрики» является ускоритель заряженных частиц циклотрон DC-280. О том, для чего создана «фабрика», о первых двух экспериментах с новым оборудованием, а также о загадках новых химических элементов, «Известиям» рассказал академик РАН, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова ОИЯИ Юрий Оганесян.
— Юрий Цолакович, сейчас в таблице Менделеева последний элемент 118-й. Теоретически, как известно, предсказано существование 172 элементов. Так сколько их может быть на самом деле?
— Сколько может быть элементов — это волнующий вопрос, и на него теперь нужно ответить. Старой "классической" теорией было предсказано 100. А теперь есть уже и 118-й. Я могу сказать, что это еще не предел, можно двигаться дальше.
- Мы видим материальный мир — как "материк" стабильных элементов, который простирается до свинца. Это сферические и устойчивые ядра атомов. За ними следует полуостров умеренно стабильных ядер - таких как торий или уран, долгоживущие трансурановые элементы до калифорния, - который вытягивается отмелью сильно деформированных ядер и обрывается в нестабильном море... Но ещё дальше, за проливом, может находится новая область сферических ядер, сверхтяжёлых и устойчивых элементов с номерами 120 и более... Это похоже на "полуостров". А потом далеко от известной области элементов следуют "острова": один, может быть, второй и даже третий. Так, согласно новой теории, устроен мир в силу того, что ядерная материя обладает внутренней структурой.
— Гипотезу о существовании "островов" приняли сразу?
— Поначалу она казалась почти сумасшедшей. Потом привыкли, начали бурно обсуждать, поверили. Экспериментальные группы многих крупных лабораторий мира бросились искать сверхтяжелые элементы в земных и лунных образцах, в космосе, в продуктах ядерных взрывов. Пять подземных ядерных взрывов было сделано в США. Были проведены эксперименты на мощных ускорителях тяжелых ионов. К сожалению, все попытки найти в природе или искусственно синтезировать гипотетические сверхтяжелые элементы не увенчались успехом.
— Сколько лет это длилось?
— Штурм сверхтяжелых проходил пятнадцать лет. А затем, как часто бывает, наступила полоса пессимизма. Если что-то ищешь и не находишь, то причины две: либо не дотянулся, либо этого не существует. Но если это ищут разные люди, в разных местах и на разных установках и не находят, то второе мнение начинает превалировать над первым. Мы эту точку зрения не разделяли, продолжая упорно искать эти "острова"."
"Научный поиск — вещь не только странная, но и изнурительная. Это как идешь по тропинке в лабиринте, а потом видишь тупик. Должен вернуться назад и пойти по-другому пути. Опять тупик, опять назад. Нужно иметь терпение, чтобы продолжать многие годы это странное занятие. Говорят, что, если из ста попыток семь удачных, это гениально."