Лига Химиков

На момент открытия периодического закона химикам было известно 63 элемента. С тех пор было открыто еще 55 новых химических элементов — в среднем новый химический элемент открывался каждые три года. Однако сам характер таких исследований существенно изменился. С середины ХХ века новые ячейки таблицы заполняются искусственными элементами, синтезированными ускорителями. Главные действующие лица в этом процессе уже не химики, а физики. А так как синтез новых элементов - это высокотехнологичный и дорогостоящий процесс, то в гонке за приоритетом участвуют лишь единицы - крупнейшие лаборатории из России, США, Европы и Японии. Как и в космических исследованиях, здесь есть место элементу геополитического соперничества.

Периодический закон, который был открыт химиком Дмитрием Менделеевым больше не работает. Ему подчиняются лишь первые 111 элементов таблицы. А уже 112-й элемент «копернеций» ведет себя вовсе не так, как предсказывал ученый прошлого.

«На первых порах нам казалось, что периодический закон перестанет работать где-то на 123-м элементе, теперь появились намеки на то, что этот момент уже наступил. Разница небольшая, но ее вполне можно увидеть, и она, как мы считаем, как раз связана с этими релятивистскими эффектами», — руководитель лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (город Дубна) Юрий Оганесян.

До начала 1960-х годов приоритет в синтезе новых элементов принадлежал Соединенным Штатам. Однако вскоре важным игроком стал Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне. Элементы со 101-го по 106-е Советские и Американские физики синтезировали почти наперегонки. В конце 1990-х годов ОИЯИ разработал новый метод синтеза на основе ядер кальция-48. Это очень редкий и дорогой изотоп обычного кальция (атомный номер 20) с большим избытком нейтронов. Этот метод позволил российским физикам окончательно оторваться от погони. Их усилиями была полностью заполнена 7-я строка периодической таблицы.

«Обычные сплавы ртути и других металлов распадаются при нагревании до 160 градусов Цельсия, а сплавы с элементом-112 теряют стабильность при нуле градусов. При этом с физической точки зрения различия в поведении электронов у ртути и коперниция крайне малы», — пояснил специалист.

Источник: Telegram-канал "Рубить сплеча"

Говоря о химической связи, мы часто сталкиваемся с понятием валентность, оно обозначает количество ковалентных связей, которое может образовать атом определённого элемента, например для серы это 2, 4 или 6, для кислорода 2, для углерода 4. Однако иногда атомы образуют значительно больше связей, чем предполагает их валентность, возьмем например медь, она проявляет валентности 1 и 2, однако если растворить её гидроксид (2) в аммиаке и провести анализ полученного вещества, мы установим что в нем содержится 6 молекул аммиака, связанных с атомом меди. Это совершенно не вписывается в рамки привычной теории, и ученые давно это заметили.

Было несколько попыток. Объяснить природу таких соединений, начиная с предположений о переменной валентности, заканчивая теориями цепных соединений. Все они до поры до времени могли объяснять некоторые свойства нового типа соединений, но с открытием всё большего их количества теория постепенно рушилась. Решающую роль в становлении координационной теории сыграл А. Вернер, он не только создал совершенно новое видение проблемы, но и подкрепил свои предположения огромным количеством экспериментов. Разберемся же в основных положениях координационной теории.

Вернер считал, что некоторые атомы обладают как главной, так и побочной валентностью, сначала насыщается главная, затем побочная. Атомы стремятся заполнить обе эти валентности, отсюда и разнообразие координационных соединений. Тогда природа «побочной» валентности была не известна, сейчас же мы знаем, что она образуется по донорно-акцепторному механизму. Вернер также обозначил структуру координационных соединений, они состоят из центрального атома, внутренней координационной сферы и внешней координационной сферы. Центральный атом обладает свободными орбиталями на внешнем уровне, к нему координируются атомы или молекулы, находящиеся во внутренней координационной сфере, они обладают неподеленной электронной парой, и их называют лигандами. Во внешней же координационной сфере располагаются ионы, компенсирующие заряд центрального атома.

Химия координационных соединений очень разнообразна, поэтому разработана система классификаций как самих комплексов, так и лигандов. Среди координационных соединений выделяют заряженные и незаряженные, у незаряженных либо и центральный атом и лиганды незаряжены, либо заряды скомпенсированы друг другом. Лиганды также могут быть нейтральными или заряженными, занимать одно или несколько «координационных мест», различаться по размеру и форме.

Но почему же Вернер был так уверен в правильности своей теории, неужели свойства лигандов и ионов внешней координационной сферы будут отличаться? Он не знал ни механизмов образования связей, ни её природы, однако свою гениальную догадку он подтвердил множеством экспериментов, он изучал комплексы (так иногда называют координационные соединения) хрома, в которые входил аммиак и хлор, Вернер заметил, что комплексы в которые входят 6 молекул аммиака осаждают 3 эквивалента серебра, если уменьшить количество молекул аммиака до 5 в осадок выпадают 2 эквивалента и т.д. Так Вернер установил, что хром координирует вокруг себя 6 лигандов, и если в их состав входят ионы хлора, взаимодействие последних с ионами серебра затрудняется, следовательно существуют различия между ионами одного и того же элемента, находящегося в внутренней или внешней координационной сфере. Такое поведение не возможно было объяснить ни одной предыдущей теорией, и Вернер в очередной раз доказал верность своих предположений.

Однако мы здесь не для заучивания теории, а для поиска интересной информации, так что перейдем к более необычным лигандам. Наверняка вы слышали про чистящее средство Трилон-Б, его используют для очистки от накипи чайников и прочего водонагревающего оборудования, так вот задумывались ли вы, как работает это средство? Трилон-Б a.k.a. ЭДТА a.k.a. Этилендиаминтетрауксуснаякислота (а точнее её динатриевая соль) является сложным лигандом, образующим комплексы с кальцием, которые хорошо растворимы в воде и позволяет удалять накипь (карбонат кальция) со стенок вашего чайника. ЭДТА представляет из себя такого «крабика», который захватывает в клешни ион кальция, а за счет атомов азота и возникающих водородных связей, полученный комплекс ещё и растворим в воде.

ЭДТА

Продолжая разговор об интересных комплексах поговорим о краун-эфирах, эти замечательные колечки являются перспективными экстракторами, так как, внимание, позволяют регулировать размер иона, который должен оказаться центральным. С помощью краун-эфиров можно добиваться растворения ионов определенных элементов в органическом растворителе, тем самым, выделять их из смеси, так например можно очищать отработанное ядерное топливо (хотя выгоднее и эффективнее использовать трибутилфосфат).

Трудно поверить, но и своему существованию мы обязаны комплексным соединениям, именно порфириновые циклы являются важнейшей частью белков, переносящих кислород, в частности гемоглобина.

Идем дальше и вспоминаем о существовании карбонилов, нейтральных комплексов переходных металлов с угарным газом, их особенность состоит в двойственной роли металла, он одновременно и донор и акцептор электронной пары, то есть может выполнять роль лиганда, а молекулы CO являются как лигандами, так и иногда мостиковыми атомами, из-за чего структуры карбонилов весьма разнообразны. Также именно в карбонилах переходные металлы могут принимать отрицательные степени окисления.

А теперь настало время отличных историй) Германия достаточно бедна такими полезными ископаемыми как нефть и газ, и поэтому во время войны, когда армия нуждалась в топливе для танков и автомобилей, необходимый бензин синтезировали из угля, которого в стране было предостаточно. Так вот, на одном из заводов, где синтезировали бензин в трубах и реакторах откладывалось ярко-оранжевое вещество, состав которого немцам установить не удалось. Странное вещество извлекали и захороняли. Спустя много лет о захоронениях вспомнили и решили посмотреть, что же это было за вещество, оказалось, что оно принадлежит новому классу «сэндвичных» соединений и представляет из себя бутерброд из иона железа и двух циклопентадиениловых лигандов, вещество назвали ферроцен. Позже были получены и другие представители нового класса соединений, центральными атомами в которых являлись переходные металлы. Если вы думаете, что сэндвичные соединения это большая редкость, и они не находят практического применения, то знайте, что все литиевые аккумуляторы, которыми мы пользуемся, осуществляют циклы зарядки и разрядки благодаря образованию соединений внедрения ионов лития в графит. В этом процессе образуется полимер, представляющий из себя множество сэндвичей из фрагментов графита и начинки из атомов лития. Такие аккумуляторы не только более долговечны, но и компактны, так как плотность лития увеличивается при интеграции в графит. (Можете почитать про соединения внедрения здесь.)

Иллюстрации взяты из замечательной книги Ю.А. Макашева и В.М. Замяткиной "Соединения в квадратных скобках", если хотите познакомиться с комплексными соединениями поближе обязательно прочитайте.

Скажу сразу, и химию, и физику изучал в школе и в институте. Вроде бы неплохо разбираюсь. Но некоторые наблюдения не дают мне покоя:

Первое: мы смеемся, но покусание батарейки увеличивает срок её службы. При замене батареек в пультах от телевизоров в гостинице, обнаруживаем, что процентов 90 батареек "загрызены". Значит помогает, раз гости не обращаются за заменой, а грызут батарейки. Здесь я ещё хоть как-то могу себе объяснить природу "дозаряда". Электрическая энергия в батарейке образуется в результате химической реакции, и дополнительное давление, температура, изменение физической формы могут привести к дополнительной выработке энергии. И закон сохранения энергии соблюден: энергия челюстных мышц преобразовывается в электрическую.

Но аккумуляторы то как?

Второе: телефон. Сдох, аккумулятор разрядился в ноль, отключился сам. Спустя некоторое время его можно включить и даже позвонить. Без дозарядки, нагрева, охлаждения, покусания и т.п.

Третье: автомобильный видеорегистратор. Включение запланировано по питанию. Отключаю из прикуривателя. На внутреннем аккумуляторе работает недолго, пишет, что батарея разрядилась, и отключается. Спустя некоторое время, цикл "вкл-запись-выкл" повторяется. Откуда заряд берется? Температура в салоне стабильная, регистратор никто не кусает, внешнего питания нет, даже элементарных солнечных батарей и нано-ядерного реактора нет.

Четвертое: планшет. Внук поиграл и разрядил планшет до 0%. Тот выключился. Внук убрал его подальше, не заряжал. Через неделю берем, включаем, а там заряд 7%! Откуда? Именно этот вопрос мне внук и задал. А я даже теоретически представить не могу: "И правда, откуда?"

И не 1-2, а целых 7%!

Про "саморазряд" аккумуляторов я знаю, а о "самозаряде" впервые задумался.