Аркадий Курамшин – Таблица Менделеева. Элементы уже близко (страница 50)

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 и перспектив для исследования. Конечно же, сейчас химики изучают свойства урана не ради соединений с яркими цветами, а из-за того, чтобы понять, как лучше разбираться с радиоактивными отходами – концентрировать уран и получать соединения, из которых он не мог бы попадать в окружающую среду. В земной коре же и в большинстве известных соединений уран присутствует в форме уранил-катиона UO₂²⁺, образующего хорошо растворимые соединения, которые нежелательно использовать для связывания урана из отработанного ядерного топлива (ОЯТ) – соли уранил-катиона могут медленно «вымываться» водой из захоронений отходов ядерной энергетики. На настоящий момент проблему ОЯТ решают, инкапсулируя соединения элементов из нераспавшегося ядерного топлива в прочную керамику, которая, однако, в тысячелетней и более перспективе может разрушаться из-за распада входящих в нее радиоактивных компонентов и нарушения структуры кристаллической решетки керамики.

Однако уран больше знаком большинству людей не по химическим свойствам и окрашенным соединениям, а как ядерное топливо. Если брать гражданскую сторону атомной энергетики (с военной всё ясно и так), отношение людей к атомным электростанциям неоднозначное. С одной стороны, рассуждая рационально, понятно, что атомные электростанции практически ничего не выбрасывают в окружающую среду, работая в замкнутом контуре, а с другой – печальный опыт аварий на Три-Майл-Айленде, в Чернобыле и Фукусиме не всегда позволяет рассуждать рационально. Для получения топлива для АЭС природный уран, который в основном представлен нуклидом ²³⁸U, обогащают – выделяют из него ²³⁵U, содержание которого в природном уране всего 0,7 %. Оставшийся после обогащения уран (так называемый обеднённый уран) содержит около 0,2 % ²³⁵U. Обеднённый уран на 40% менее радиоактивен, чем природный материал, и именно его применяют для химических экспериментов в лаборатории (химические свойства различных изотопов химических элементов не различаются, и «рецепты», полученные для ²³⁸U, можно будет использовать и для связывания ²³⁵U).

Высокая плотность урана позволяет применять его для деталей, которым нужна высокая прочность, например для изготовления киля морских судов, и наоборот – для бронебойных боеприпасов. Радиации от обеднённого урана, который распадается с выделением α-частиц, обладающих малой длиной пробега, следует опасаться, но ещё в большей степени опасна химическая токсичность урана, сравнимая с токсичностью ртути или свинца, – большей части ветеранов войн в Персидском заливе, имевших дело с боеприпасами из обеднённого урана и обратившихся к врачам в связи с ухудшением состояния здоровья, было продиагностировано не радиационное поражение, а химическое отравление.

Однако все же не стоит считать уран чем-то демоническим, несущим только тревогу и боль. Атомные электростанции вырабатывают около 17% мировой электроэнергии, согревая дома. Уран согревает и Землю – предполагается, что внутреннее тепло Земли, обеспечивающее существование расплавленной мантии, обеспечивается распадом урана и тория.