user10725572

В 1940-х годах он выдвинул идею использования тория в качестве «плодородного» материала, из которого можно получать ядерное топливо — уран-233.

Эта теория была подтверждена в ходе экспериментов в Окриджской национальной лаборатории в США.

Особенно важную роль сыграл эксперимент с реактором на расплавах солей (MSRE), который успешно работал с 1965 по 1969 год.

В ходе этого эксперимента было доказано, что торий-232 может быть эффективно превращён в делящийся уран-233, что подтвердило практическую жизнеспособность ториевого цикла.

Как работает ториевый топливный цикл

Торий-232, самый распространённый природный изотоп, не является делящимся материалом, но он плодородный, то есть это своего рода «сырьё», из которого можно получить ядерное топливо.

Это означает, что он может быть превращён в делящийся материал.

Поэтому под воздействием нейтронов в ядерном реакторе торий-232 поглощает один нейтрон, превращаясь в торий-233, который затем распадается, образуя уран-233 (233U) — мощное ядерное топливо.

Этот цикл имеет несколько значительных преимуществ перед традиционным урановым:

1. Изобилие.

2. Снижение ядерных отходов.

3. Устойчивость к распространению ядерного оружия.

Например:

Торий-232 — плодородный материал, который при захвате нейтрона превращается в делящийся уран-233.

Уран-238 — плодородный материал, который при захвате нейтрона превращается в делящийся плутоний-239.

Это ключевое отличие от делящихся материалов, таких как уран-235 или плутоний-239, которые уже готовы к делению и могут поддерживать цепную реакцию.

Почему торий был забыт

Несмотря на все преимущества, торий не получил широкого распространения в ядерной энергетике по нескольким причинам:

На заре ядерной эры основной целью было создание не только энергии, но и ядерного оружия.

Уран-238 идеально подходил для получения плутония, в то время как ториевый цикл не давал такого продукта.

Проектирование и эксплуатация ториевых реакторов сложнее и требуют иных технологий, чем реакторы на уране.

Сегодня, когда мир ищет более безопасные и устойчивые источники энергии, интерес к торию возрождается, и исследователи работают над созданием новых типов реакторов, которые смогут использовать весь потенциал этого удивительного элемента.

Возрождение ториевых реакторов

На данный момент, мировым лидером в разработке и практическом применении ториевых реакторов является Китай.

После десятилетий исследований, в июне 2023 года Китай успешно запустил экспериментальный ториевый реактор на расплавленных солях в пустыне Гоби, а в 2025 году он вышел на проектную мощность.

Этот реактор, мощностью 2 МВт, стал первым в мире работающим реактором такого типа. Китай планирует построить более крупный коммерческий реактор мощностью 100 МВт к 2030 году.

Торий, этот скромный элемент, названный в честь могучего бога грома, сегодня снова в центре внимания.

Он несёт в себе обещание не просто новой энергии, но и новой эры — эры, где наши энергетические потребности будут удовлетворяться с меньшим вредом для планеты, с меньшим количеством долгоживущих отходов и с большей безопасностью для всего человечества.

✅ Белки — основа всего. Вы когда-нибудь задумывались, из чего состоят наши мышцы, кожа, волосы, ферменты, гормоны?

Ответ один — белки. А белки, в свою очередь, не могут существовать без азота. Каждая аминокислота, "кирпичик" белка, содержит в своем составе этот элемент.

✅ Генетический код. Азот входит в состав нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Эти молекулы хранят и передают нашу генетическую информацию. Без азота не было бы ни нас, ни наших потомков.

✅ Нервная система. Азот участвует в передаче нервных импульсов. Некоторые нейромедиаторы (вещества, передающие сигналы между нейронами) содержат азот.

Проще говоря, азот — это как арматура в железобетонной конструкции нашего тела. Он обеспечивает прочность и функциональность на самом базовом уровне.

Интересный факт: Самый распространенный газ в атмосфере Земли. Азот составляет около 78% объема воздуха, которым мы дышим. Кислорода для сравнения всего около 21%.

Круговорот жизни и смерти

Азот постоянно циркулирует между атмосферой, почвой и живыми организмами. Этот процесс называется круговоротом азота.

Фиксация азота. Атмосферный азот (N2) инертен и недоступен для большинства живых организмов.

Чтобы его "активировать", нужны специальные бактерии, живущие в почве и на корнях некоторых растений (например, бобовых).

Эти бактерии способны "фиксировать" азот, превращая его в соединения, которые могут усваивать растения.

✅ Нитрификация и денитрификация. Дальше в дело вступают другие бактерии, которые превращают аммиак и аммонийные соли в нитриты и нитраты (нитрификация), которые еще лучше усваиваются растениями.

А когда организмы отмирают, другие бактерии возвращают азот обратно в атмосферу в виде газообразного азота (денитрификация).

Этот сложный процесс поддерживает баланс азота в биосфере и обеспечивает жизнь на планете.

Интересный факт: Жидкий азот очень холодный. Его температура кипения составляет -196 °C (-321 °F). Благодаря этому свойству он используется в качестве криогенного хладагента для быстрого замораживания, хранения биологических образцов и в криохирургии.

Азот на службе у человека

Помимо своей биологической роли, азот активно используется в различных отраслях:

➡️ Промышленность. Азот в жидком виде используется как хладагент. Из него получают аммиак, который является основой для производства удобрений.

Азотная кислота используется в производстве взрывчатых веществ и красителей.

➡️ Медицина. Жидкий азот применяется в криохирургии для удаления бородавок и других новообразований.

➡️ Пищевая промышленность. Азот используется как инертный газ для упаковки пищевых продуктов, предотвращая их окисление и порчу.

Как видите, этот "простой" газ играет далеко не простую роль в нашей жизни. Он — основа нашего существования, участник важнейших природных циклов и незаменимый помощник в различных технологических процессах.

Так что в следующий раз, делая глубокий вдох, вспомните, что большая часть этого воздуха — тот самый азот, невидимый гигант, который постоянно работает на благо жизни на нашей планете.

Интересный факт: Азот необходим для ДНК и РНК. Наряду с углеродом, водородом, кислородом и фосфором, азот является одним из пяти основных химических элементов, образующих нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), которые несут генетическую информацию всех живых организмов.

Больше интересных фактов об азоте вы можете найти здесь азот химический элемент.

Речь идёт о лантаноидах и актиноидах — тяжёлых ребятах из самого низа таблицы Менделеева.

Давайте разберёмся, как эти «сумасшедшие» элементы могут сделать нас покорителями космоса.

Лантаноиды: Магниты и лазеры для космических технологий

Многие думают, что лантаноиды нужны только для дисплеев смартфонов. Это так, но их уникальные магнитные и оптические свойства — настоящий подарок для инженеров, мечтающих о полётах.

Самый известный пример — неодим (Nd). Магниты на его основе являются самыми сильными постоянными магнитами в мире.

Они могут стать основой для невероятно компактных и мощных электрических двигателей, которые будут обеспечивать тягу для маневров.

Например, в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) уже давно ведутся разработки таких систем.

Другие лантаноиды, такие как эрбий (Er), используются в высокоэффективных лазерах. В космосе эти технологии могут обеспечить сверхбыструю связь с Землёй.

Такие институты как Европейское космическое агентство (ESA) активно исследуют использование лазеров в системах связи нового поколения.

Актиноиды: Энергия, которая не заканчивается

Если лантаноиды — это нервная система и мускулы корабля, то актиноиды — это его неиссякаемое сердце.

Все они радиоактивны и выделяют колоссальное количество энергии, которая может стать основой для межзвёздных путешествий.

Самая важная сфера применения — это компактные ядерные реакторы. Актиноиды, такие как уран (U) и плутоний (Pu), являются идеальным топливом для них. Над этими технологиями сегодня работают ведущие мировые институты.

Например, в Los Alamos National Laboratory в США и в российском ФГУП «НИИЭТ» активно разрабатывают проекты реакторов, способных обеспечить энергией марсианскую базу на десятилетия.

В России одним из главных конструкторов ядерных реакторов для космоса был Станислав Акимов, а в США идеи ядерных плазменных двигателей развивал Франклин Чанг-Диас.

Ядерные реакторы также могут стать основой для ракетных двигателей.

Такие двигатели, как в легендарном проекте NERVA середины XX века, теоретически могут обеспечить тягу в два раза эффективнее, чем химические.

Современная NASA возвращается к этим идеям в проекте DRACO, разрабатывая двигатели, которые смогут сократить время полёта до Марса.

Об этом проекте можно почитать на официальном сайте NASA, а об истории NERVA — в архивах аэрокосмических агентств.

Актиноиды также используются для создания «вечных батареек». Элементы вроде плутония-238 применяются в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ), которые питали такие аппараты как «Вояджер» и марсоход «Кьюриосити». Кстати, если хотите узнать больше о том, что это за элемент и почему он так важен для космических миссий, можете прочитать о плутонии здесь.

О принципах работы РИТЭГ можно узнать в учебниках по ядерной физике и на сайтах производителей.

Итог

Лантаноиды и актиноиды — это не просто строчки в таблице Менделеева. Это настоящие супергерои, которые, с одной стороны, дают нам невероятные материалы, а с другой — дарят топливо для покорения космоса.

И хотя до сверхсветовых полётов ещё далеко, первые шаги уже сделаны.

Этот камень, позже названный гадолинитом, оказался настоящим кладезем неизведанных элементов.

Потребовались десятилетия кропотливого труда многих учёных, чтобы постепенно "вытащить" из этого минерала его секреты.

В 1878 году швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк стал тем, кто смог отделить от уже известного оксида эрбия новую "землю" (химики того времени называли оксиды металлов "землями").

Эту новую смесь он назвал оксидом иттербия, а содержащийся в ней элемент — иттербием, увековечив название скромной шведской деревни, подарившей миру столько открытий.

Свойства: Металл с двумя характерами

Довольно активный металл, если оставить его на воздухе, он постепенно тускнеет, подобно серебру, но из-за своей реакционной способности этот процесс происходит заметнее.

Он медленно взаимодействует с холодной водой и гораздо живее с горячей, выделяя при этом невидимый газообразный водород, словно "шипит", освобождая свою энергию.

Самая интересная химическая особенность иттербия — это его "двойной характер".

В большинстве своих соединений он ведёт себя как типичный лантаноид, проявляя валентность +3.

Но иногда, подобно хамелеону, иттербий может "сбрасывать" лишь два электрона, проявляя валентность +2.

Это довольно редкое явление для лантаноидов, что делает иттербий (наряду с европием и самарием) уникальным объектом для изучения.

Где найти и как получить?

В природе иттербий не встречается в чистом виде, а всегда в составе редкоземельных минералов, таких как монацит, бастнезит и ксенотим.

Эти руды добываются в различных уголках мира.

Процесс получения чистого иттербия — это настоящее искусство:

Разделение: Сначала из руды выделяют смесь всех редкоземельных элементов. А затем начинается самое сложное: их разделение.

Поскольку эти элементы химически очень похожи, применяются трудоёмкие методы, такие как жидкостная экстракция.

Представьте себе тысячи раз повторяющийся процесс, где специальные жидкости избирательно "вытягивают" каждый элемент из смеси, пока не будет получен чистый оксид иттербия.

Восстановление: После получения чистого оксида иттербия его превращают в металлический иттербий.

Это делается путём восстановления оксида или его солей более активными металлами (например, лантаном или кальцием) при очень высоких температурах и в условиях полного вакуума, чтобы избежать загрязнения.

Применение: Невидимый двигатель прогресса

Несмотря на свою редкость и высокую стоимость, иттербий химический элемент играет ключевую роль в технологиях, которые определяют наше будущее:

Лазерные системы: Это его визитная карточка. Иттербий — главный "актер" в высокомощных волоконных лазерах.

Эти лазеры, способные с филигранной точностью резать металл толщиной в несколько сантиметров, используются в промышленности, медицине (например, в хирургии) и научных исследованиях.

Иттербиевые лазеры — это мощные и эффективные "световые скальпели".

Атомные часы: Иттербий — один из столпов сверхточных атомных часов. Именно его атомы позволяют создавать приборы, которые могут ошибиться менее чем на одну секунду за миллиарды лет.

Такая точность критически важна для работы спутниковых систем навигации (GPS), современных телекоммуникаций и фундаментальных исследований, где малейшее отклонение имеет значение.

Рентгенография и дефектоскопия: Радиоактивный изотоп Иттербий-169 используется в портативных рентгеновских аппаратах.

Представьте себе, как инженеры в полевых условиях, без электричества, могут "просветить" трубу или металлическую конструкцию, чтобы найти скрытые дефекты или трещины. Иттербий-169 169Yb делает это возможным.

Материаловедение: В небольших количествах иттербий добавляют в некоторые сплавы, например, в нержавеющую сталь, чтобы сделать её прочнее и пластичнее, как невидимый "усилитель" свойств.

Датчики и электроника: Благодаря своему уникальному поведению под давлением, иттербий используется в производстве высокочувствительных датчиков давления (тензодатчиков).

История Открытия и Названия

История открытия нобелия является одной из самых запутанных в химии сверхтяжелых элементов, отмеченной конкуренцией и противоречивыми заявлениями:

1957 год: Группа американских, английских и шведских ученых из Нобелевского института в Швеции первыми заявила о синтезе изотопа 102-го элемента с массовым числом 253 или 251 и периодом полураспада около 10 секунд.

Именно они предложили название "Нобелий". Однако последующие проверки американскими учеными (А. Гиорсо и др.) в Беркли (США) и советскими физиками (Г. Н. Флёровым и др.) в Дубне (СССР) показали ошибочность этого сообщения.

1963-1966 годы: Правильные и подтвержденные данные о 102-м элементе и его химических свойствах были получены в Дубне (СССР) под руководством Г. Н. Флёрова.

Советские ученые предложили для элемента название "Жолиотий" (в честь французского ученого Ф. Жолио-Кюри).

Позднее, группа из Беркли также успешно синтезировала и идентифицировала изотопы нобелия.

В итоге, после длительных дебатов, ИЮПАК (IUPAC) в 1997 году официально утвердил название "Нобелий" в честь Альфреда Нобеля.

Физические Свойства

Из-за того, что нобелий синтезируется в крайне малых, атомарных количествах, большинство его физических свойств основаны на теоретических предсказаниях и экстраполяции из поведения других актинидов:

✅ Агрегатное состояние: Предполагается, что нобелий является твердым металлом при комнатной температуре.

✅ Внешний вид: Ожидается, что это будет серебристо-белый или серый металл с характерным металлическим блеском, подобно другим актинидам.

✅ Плотность: Расчетная плотность составляет около 9,9 г/см3.

✅ Температура плавления: Предсказана в диапазоне около 800-827 °C (примерно 1100 К). Температура кипения точно не известна, но предположительно значительно выше.

✅ Радиоактивность: Все известные изотопы нобелия очень радиоактивны и имеют короткие периоды полураспада.

Самый стабильный изотоп, No259, имеет период полураспада всего около 58 минут.

Более короткоживущие изотопы, например No255 (период полураспада 3,1 минуты), часто используются в химических исследованиях, так как их легче производить в достаточном количестве.

✅ Кристаллическая структура: Предполагается, что нобелий имеет гранецентрированную кубическую (FCC) структуру.

✅ Металлические свойства: Как актинид, он предположительно обладает типичными металлическими свойствами, включая электропроводность, но измерить их напрямую невозможно из-за невозможности получения макроскопических образцов.

Химические Свойства

Химические свойства нобелия изучаются в следовых количествах и представляют особый интерес из-за его положения в ряду актинидов:

✅ Степени окисления:
+2 (наиболее устойчивая): Это наиболее характерная и уникальная особенность нобелия среди актинидов.

В отличие от большинства других актинидов, для которых степень окисления +3 является доминирующей, для нобелия в водных растворах степень окисления +2 более стабильна.

Это обусловлено стабильностью полностью заполненной 5f-оболочки (5f14) в ионе No2+ (после потери двух 7s электронов).

+3 (существует, но менее устойчива): Нобелий также может проявлять степень окисления +3, что соответствует типичному поведению актинидов.

Однако ионы No3+ в ляются сильными окислителями и легко восстанавливаются до No2+.

✅ Электронная конфигурация: Предполагаемая электронная конфигурация внешних оболочек: [Rn]5f147s2, что хорошо объясняет доминирование степени окисления +2.

✅ Реактивность: Как металл, нобелий предположительно является реакционноспособным, хотя его реакции с воздухом, водой, галогенами, кислотами и щелочами напрямую не изучались.

Его химическое поведение в водном растворе сравнивают с поведением иттербия (Yb), который является гомологом нобелия среди лантанидов и также проявляет устойчивую степень окисления +2.

Химики в Дубне установили, что нобелий образует нелетучий хлорид, а американские ученые подтвердили устойчивость степени окисления +2 в водных растворах.

Предполагается, что он реагирует с кислородом, образуя оксиды (вероятно NoO или No2O3).

✅ Комплексообразование: Ионы нобелия способны образовывать комплексные соединения в растворах, демонстрируя поведение, сопоставимое с другими актинидами и лантанидами, проявляющими те же степени окисления.

Изотопы Нобелия

На данный момент известно девять изотопов нобелия с массовыми числами от 251 до 259. Все они крайне нестабильны и радиоактивны.

Наиболее долгоживущим считается изотоп No259 с периодом полураспада около 58 минут (1,5 ± 0,5 часа).

Этот изотоп был получен в 1970 году в Ок-Ридже (США) при облучении изотопа Cm248 ускоренными ионами O18.

Другие изотопы (с массовыми числами от No251 до No258) имеют гораздо более короткие периоды полураспада, от миллисекунд до нескольких минут.

Они образуются в микроколичествах (сотни атомов) при облучении урана, плутония, америция и кюрия ускоренными ионами углерода, азота, кислорода и неона.

Применение

Из-за своей крайней нестабильности, высокой радиоактивности и крайне малых количеств, в которых он может быть получен, нобелий химический элемент не имеет никаких практических или коммерческих применений.

Он используется исключительно в фундаментальных научных исследованиях для расширения наших знаний о сверхтяжелых элементах и закономерностях Периодической таблицы.