Шрифт:
Закладка:
91. Протактиний
В 1871 году Дмитрий Иванович Менделеев среди ряда других сделал следующее предсказание: «Между торием и ураном можно ожидать элемента с атомной массой около 235. Формула высшего оксида этого элемента X2O5, как у ниобия с танталом, которым он должен быть аналогичен».
Определенная в наше время атомная масса предсказанного элемента – протактиния – близка к 231. Хотя предсказание массы можно посчитать относительно точным, оно всё-таки не сбылось – предсказывая атомную массу протактиния, Менделеев не мог знать, что протактиний является членом одной из всего лишь четырёх пар «перевёртышей» – пар, в которых более тяжелый элемент располагается перед более лёгким (эти пары – аргон и калий; кобальт и никель; теллур и йод; торий и протактиний). Сейчас мы знаем, что существование таких пар объясняется тем, что периодичность изменения свойств элемента зависит не от массы, а от заряда ядра, но эта концепция была разработана Мозли и Бором уже после смерти Дмитрия Ивановича.
Другие же предсказания Менделеева про протактиний сбылись – свойства протактиния действительно воспроизводят свойства тантала – его высший и наиболее устойчивый оксид Pa2O5, хотя необходимо учесть, что протактиний демонстрирует горизонтальную аналогию свойств с торием и ураном, проявляя степень окисления +4, а вот горизонтальную аналогию свойств Дмитрий Иванович не принимал. Менделеев точно предсказал, что протактиний будет сопутствовать урану в руде ураните (также известной как урановая смолка).
Уран и торий были открыты в 1789 и 1828 годах соответственно, а вот открытие стоящего между ними протактиния пришлось ждать до ХХ века. Конечно, тут, как и во многих других случаях, нужно определиться, какой момент можно считать открытием элемента – осознание того, что руда содержит новый элемент, выделение соединения этого элемента из руды или получения нового элемента в виде простого вещества. В зависимости от того, что мы засчитаем за открытие, фактически для любого элемента можно назвать нескольких первооткрывателей. Для протактиния же ситуация еще сложнее.
В 1900 году английский химик и изобретатель сэр Уильям Крукс выяснил, что в некоторых урановых рудах содержится новое радиоактивное вещество, которое он назвал «уран-Х». Позднее оказалось, что уран-Х представляет собой два разных вещества, получившие название UX-1 и UX-2. Второе из них – UX-2 – впервые было выделено польским химиком Казимиром Фаянсом в 1913 году. Это был короткоживущий нуклид 234Pa, период полураспада которого был чуть больше минуты. Из-за малого времени жизни Фаянс назвал открытый элемент бревием.
В 1917 году немецкий физик Лиза Мейтнер выделила более устойчивый нуклид этого элемента – 231Pa, который отличался большим временем жизни – его период полураспада составлял около 33 000 лет. В связи с этим Фаянс отказался от названия «бревий», поскольку правила обязывали учёных называть элемент, опираясь на свойства самого долгоживущего из изотопов. Мейтнер предложила несколько громоздкое название «протоактиний», которое потом редуцировалось до привычного протактиния. Выбор названия был продиктован тем, что α-распад протактиния приводит к образованию актиния, элемента №89. В том же году нуклид 231Pa был выделен автором термина «изотопы» Фредериком Содди и его коллегой Джоном Крэнстоном (оба ученых работали в Университете Глазго).
Протактиний – радиоактивный и высокотоксичный элемент, который не находит практического применения, однако в некоторых аспектах интересен для ученых. Так, например, определение соотношения изотопов 231Pa и 230Th в океанских осадочных породах позволяет океанологам реконструировать перемещение вод в Северной Атлантике после таяния льдов последнего ледникового периода.
В 1961 году Управление по атомной энергии Великобритании, переработав 60 тонн радиоактивных отходов, выделило 125 граммов протактиния. Это и есть самый серьезный по массе мировой запас этого элемента. Создан он для научных нужд – лаборатории всего мира могут закупить протактиний, если он им нужен для экспериментов.
92. Уран
Уран относится к самым известным, наверное, печально известным химическим элементам. Это самый тяжелый из элементов, который можно найти в земной коре, более того – уран более распространен в земной коре, чем серебро. Уран относится к восьми химическим элементам, названным в часть небесных объектов. Блестящий чёрный порошок, который в 1789 году выделил из саксонской руды, названной впоследствии уранитом, Мартин Генрих Клапрот, был не металлическим ураном, а оксидом урана. Клапрот, не зная, что это оксид, назвал новый «элемент» ураном (этим он хотел поддержать предложение Иоганна Боде назвать новую планету «Уран» вместо «Звезда короля Георга», как предложил первооткрыватель этого небесного тела английский астроном Уильям Гершель). Только в 1841 году французский химик Эжен-Мельхиор Пелиго установил, что уран Клапрота – это диоксид UO2, превратил его в тетрахлорид урана UCl4 и восстановил хлорид урана калием до металлического урана. Металлический уран ничем не отличается от типичных металлов – вещество с серебристо-белым блеском. Уран быстро тускнеет на воздухе, окисляясь, а если его измельчить – самовозгорается.
Химические свойства урана разнообразны и удивительны. Большой заряд его ядра приводит к тому, что релятивистские эффекты (влияние ядра на электроны, которое можно интерпретировать с помощью специальной теории относительности Эйнштейна) приводят к тому, что электронная конфигурация урана и его производных значительно отличается от таковой неодима, свойства которого должны были бы совпадать со свойствами урана при формальном применении Периодической системы.
Характеризуя химические свойства урана, его называют «самым тяжёлым переходным металлом». Это не совсем метафора – к переходным мы относим металлы с частично заполненным d-электронным подуровнем, а благодаря релятивистским эффектам формула внешнего электронного слоя урана 5f36d17s2, так что его вполне можно относить к переходным металлам (хотя, как правило, при классификации его принято относить к f-элементам и не рассматривать как переходный металл). Приближает его к свойствам переходного металла и то, что он гораздо разнообразнее неодима и других лантаноидов по химическим свойствам и по окраске своих соединений. Тетрахлорид урана, с которым работал Пелиго, ярко-зелёного цвета, трийодид урана (UI3) – тёмно-синий. Бо`льшую часть соединений урана сложно получить и охарактеризовать, так как они легко взаимодействуют с кислородом и влагой воздуха, и в области химии урана еще достаточно белых пятен
