Helium bylo nuceno vytvořit stabilní chemickou sloučeninu. Překvapení: hádejte, co je třetím nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru? Lithium a helium spolu souvisí

Ruští a zahraniční chemici tvrdí, že existuje možnost existence dvou stabilních sloučenin „nejxenofobnějšího“ prvku - helia, a experimentálně potvrdili existenci jedné z nich - helidu sodného, ​​uvádí článek publikovaný v časopise Nature Chemistry.

"Tato studie ukazuje, jak lze pomocí nejnovějších teoretických a experimentálních metod objevit zcela neočekávané jevy. Naše práce opět ilustruje, jak málo víme v současné době o vlivu extrémních podmínek na chemii a roli takových jevů v procesech uvnitř planet zůstává být vysvětlen,“ říká Artem Oganov, profesor na Skoltech a Moscow Phystech v Dolgoprudném.

Tajemství vzácných plynů

Prvotní hmota vesmíru, která vznikla několik set milionů let po velkém třesku, se skládala pouze ze tří prvků – vodíku, hélia a stopových množství lithia. Helium je stále třetím nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru, ale na Zemi se nachází ve velmi malém množství a zásoby helia na planetě neustále klesají kvůli tomu, že se vypařuje do vesmíru.

Charakteristickým rysem helia a dalších prvků osmé skupiny periodické tabulky, které vědci nazývají „vzácné plyny“, je to, že jsou extrémně neochotné - v případě xenonu a dalších těžkých prvků - nebo v zásadě jako neon, nejsou schopny vstupovat do chemických reakcí. Existuje jen několik desítek sloučenin xenonu a kryptonu s fluorem, kyslíkem a dalšími silnými oxidačními činidly, žádné sloučeniny neonu a jedna sloučenina helia, které byly experimentálně objeveny v roce 1925.

Tato sloučenina, kombinace protonu a helia, není skutečnou chemickou sloučeninou v přísném slova smyslu - helium se v tomto případě nepodílí na tvorbě chemických vazeb, ačkoliv ovlivňuje chování atomů vodíku zbavených elektron. Jak chemici dříve předpokládali, „molekuly“ této látky měly být nalezeny v mezihvězdném prostředí, ale za posledních 90 let je astronomové neobjevili. Možným důvodem je to, že tento iont je extrémně nestabilní a je zničen při kontaktu s téměř jakoukoli jinou molekulou.

Artem Oganov a jeho tým přemýšleli, zda by sloučeniny helia mohly existovat za exotických podmínek, o kterých si pozemskí chemici jen zřídka myslí – při ultra vysokých tlacích a teplotách. Oganov a jeho kolegové studují takovou „exotickou“ chemii již poměrně dlouho a dokonce vyvinuli speciální algoritmus pro hledání látek, které v takových podmínkách existují. S jeho pomocí zjistili, že v hlubinách plynných obrů a některých dalších planet může existovat exotická kyselina ortokarbonová, „nemožné“ verze obyčejné kuchyňské soli a řada dalších sloučenin, které „porušují“ zákony klasické chemie.

Pomocí stejného systému USPEX, ruští a zahraniční vědci zjistili, že při ultravysokých tlacích překračujících atmosférický tlak 150 tisíc a milionkrát existují dvě stabilní sloučeniny helia - oxygelid sodný a helid sodný. První sloučenina se skládá ze dvou atomů sodíku a jednoho atomu helia a druhá se skládá z kyslíku, helia a dvou atomů sodíku.

Atom na diamantové kovadlině

Oba tlaky lze snadno získat pomocí moderních diamantových kovadlin, což udělali Oganovovi kolegové pod vedením dalšího Rusa Alexandra Gončarova z Geofyzikální laboratoře ve Washingtonu. Jeho experimenty ukázaly, že helid sodný vzniká při tlaku přibližně 1,1 milionu atmosfér a zůstává stabilní až do alespoň 10 milionů atmosfér.

Je zajímavé, že helid sodný má podobnou strukturu a vlastnosti jako soli fluoru, „soused helia“ v periodické tabulce. Každý atom helia v této „soli“ je obklopen osmi atomy sodíku, podobně jako struktura fluoridu vápenatého nebo jakékoli jiné soli kyseliny fluorovodíkové. Elektrony v Na2He jsou „přitahovány“ k atomům tak silně, že tato sloučenina, na rozdíl od sodíku, je izolant. Vědci takové struktury nazývají iontové krystaly, protože elektrony v nich přebírají roli a místo záporně nabitých iontů.

"Sloučenina, kterou jsme objevili, je docela neobvyklá: ačkoli se atomy helia přímo nepodílejí na chemické vazbě, jejich přítomnost zásadně mění chemické interakce mezi atomy sodíku, podporuje silnou lokalizaci valenčních elektronů, což z výsledného materiálu dělá izolant," vysvětluje Xiao Dong. z univerzity Nankan v Tianjinu (Čína).

Další sloučenina, Na2HeO, se ukázala být stabilní v tlakovém rozsahu od 0,15 do 1,1 milionu atmosfér. Látka je také iontový krystal a má strukturu podobnou Na2He, pouze roli záporně nabitých iontů v nich nehrají elektrony, ale atomy kyslíku.

Je zajímavé, že všechny ostatní alkalické kovy, které mají vyšší reaktivitu, jsou mnohem méně ochotné tvořit sloučeniny s heliem při tlacích ne více než 10 milionkrát vyšších, než je tlak atmosférický.

Oganov a jeho kolegové to připisují tomu, že dráhy, po kterých se pohybují elektrony v atomech draslíku, rubidia a cesia, se s rostoucím tlakem znatelně mění, což se u sodíku z dosud nejasných důvodů nestává. Vědci se domnívají, že helid sodný a další podobné látky lze nalézt v jádrech některých planet, bílých trpaslíků a dalších hvězd.

Vědcům se podařilo získat a zaregistrovat lithium-heliovou molekulu LiHe. Je to jedna z nejkřehčích známých molekul. A jeho velikost je více než desetkrát větší než velikost molekul vody.

Jak je známo, neutrální atomy a molekuly mohou mezi sebou tvořit více či méně stabilní vazby třemi způsoby. Za prvé, prostřednictvím kovalentních vazeb, kde dva atomy sdílejí jeden nebo více společných párů elektronů. Kovalentní vazby jsou nejsilnější ze tří. Charakteristická energie jejich prasknutí se obvykle rovná několika elektronvoltům.

Znatelně slabší než kovalentní vodíkové vazby. Jedná se o přitažlivost, ke které dochází mezi vázaným atomem vodíku a elektronegativním atomem jiné molekuly (obvykle kyslíku nebo dusíku, méně často fluoru). Navzdory skutečnosti, že energie vodíkových vazeb je stokrát menší než energie kovalentních vazeb, do značné míry určují fyzikální vlastnosti vody a také hrají zásadní roli v organickém světě.

A nakonec nejslabší je tzv. van der Waalsova interakce. Někdy se také nazývá rozptýlený. Vzniká jako výsledek dipól-dipólové interakce dvou atomů nebo molekul. V tomto případě mohou být dipóly buď původně vlastní molekulám (například voda má dipólový moment), nebo mohou být indukovány v důsledku interakce.

Charakteristická energie van der Waalsovy vazby je v jednotkách kelvinů (výše zmíněný elektronvolt odpovídá přibližně 10 000 kelvinům). Nejslabší van der Waalsova vazba je mezi dvěma indukovanými dipóly. Pokud existují dva nepolární atomy, pak v důsledku tepelného pohybu má každý z nich určitý náhodně oscilující dipólový moment (elektronový obal se zdá, že se vůči jádru trochu chvěje). Tyto momenty se vzájemně ovlivňují a v důsledku toho mají přednostně takové orientace, že se dva atomy začnou přitahovat.

Nejinertnější ze všech atomů je helium. Nevytváří kovalentní vazby s žádným jiným atomem. Hodnota jeho polarizovatelnosti je přitom velmi malá, to znamená, že jen obtížně vytváří rozptýlené vazby. Je tu však jedna důležitá okolnost. Elektrony v atomu helia jsou tak silně vázány jádrem, že je lze bez obav z odpudivých sil přivést velmi blízko k jiným atomům – až na vzdálenost řádově poloměru tohoto atomu. Disperzní síly rostou se zmenšující se vzdáleností mezi atomy velmi rychle – nepřímo úměrné šesté mocnině vzdálenosti!

Zde se zrodila myšlenka: přiblížíte-li k sobě dva atomy helia, stále mezi nimi vznikne křehké van der Waalsovo pouto. To se skutečně podařilo v polovině 90. let, i když to vyžadovalo značné úsilí. Energie takové vazby je pouze 1 mK a molekula He2 byla detekována v malých množstvích v podchlazených tryskách helia.

Vlastnosti molekuly He2 jsou navíc v mnoha ohledech jedinečné a neobvyklé. Jeho velikost je například... asi 5 nm! Pro srovnání, velikost molekuly vody je asi 0,1 nm. V tomto případě se minimální potenciální energie molekuly helia vyskytuje v mnohem kratší vzdálenosti - asi 0,2 nm - většinu času - asi 80% - však atomy helia v molekule stráví v tunelovém režimu, tj. region, kde se v rámci klasické mechaniky nacházejí Nemohl.

Dalším největším atomem po heliu je lithium, takže po získání molekuly helia bylo přirozené studovat možnost fixace vazby mezi heliem a lithiem. A nakonec se to vědcům také podařilo. Molekula lithium-helium LiHe má vyšší vazebnou energii než helium-helium - 34±36 mK a vzdálenost mezi atomy je naopak menší - asi 2,9 nm. Avšak i v této molekule jsou atomy většinu času v klasicky zakázaných stavech pod energetickou bariérou. Je zajímavé, že potenciálová jáma pro molekulu LiHe je tak malá, že může existovat pouze v jednom vibračním energetickém stavu, což je vlastně dubletové rozštěpení v důsledku spinu atomu 7Li. Jeho rotační konstanta je tak vysoká (asi 40 mK), že excitace rotačního spektra vede k destrukci molekuly.

Brett Esry/Kansas State University

Dosavadní výsledky jsou zajímavé pouze ze zásadního hlediska. Již nyní jsou však předmětem zájmu příbuzných vědních oborů. Héliové shluky mnoha částic se tak mohou stát nástrojem pro studium retardačních účinků v Casimirově vakuu. Studium interakce hélium-helium je důležité i pro kvantovou chemii, která by na tomto systému mohla otestovat své modely. A samozřejmě není pochyb o tom, že vědci přijdou s dalšími zajímavými a důležitými aplikacemi pro tak extravagantní objekty, jako jsou molekuly He2 a LiHe.

Možná jste slyšeli frázi „jste vyrobeni z hvězdného prachu“ – a je to pravda. Mnoho částic, které tvoří vaše tělo a svět kolem vás, se vytvořilo uvnitř hvězd před miliardami let. Existují však některé materiály, které vznikly na samém počátku, po zrození vesmíru.

Někteří astronomové věří, že se objevily jen pár minut po velkém třesku. Nejhojnějšími prvky ve vesmíru jsou vodík a helium, s velmi malým množstvím chemického lithia.

Astronomové mohou s malou přesností určit, kolik lithia bylo v mladém vesmíru. Chcete-li to provést, musíte prozkoumat nejstarší hvězdy. Získané výsledky se ale neshodují - ve starých hvězdách bylo 3krát méně lithia, než se očekávalo, že bude detekováno! Důvod této záhady je stále neznámý.

Podívejme se blíže...

Přísně vzato, na současné úrovni našich pozorování by nemělo dojít k žádné chybě: lithia je velmi málo. Situace jasně naznačuje nějakou novou fyziku, neznámý proces, který se odehrál bezprostředně po velkém třesku.

Nejnovější výzkum na toto téma se zaměřil na oblasti nejméně změněné po Velkém třesku – atmosféry starých hvězd nacházejících se na periferii Mléčné dráhy. Protože jsou izolovány z jádra, kde se může vyrábět lithium, pravděpodobnost pozdní kontaminace ovlivňující výsledky by měla být extrémně nízká. Pouze asi třetina úrovní předpokládaných modelováním byla nalezena v jejich atmosférách lithium-7. příčiny? Jedno z vysvětlení je, že se utopil. Lithium z atmosféry hvězd se prostě začalo nořit do hmoty hvězd a postupně se dostávalo do jejich hloubek. Proto není v jejich atmosférách vidět.

Christopher Hawk z University of Notre Dame (Indiana, USA) a jeho kolegové se zavázali ověřit výsledky na základě dat z malého Magellanova mračna, satelitní galaxie Mléčné dráhy. A aby se data zbavila efektu „potopení lithia“ a dalších vlivů místních hvězdných procesů, vědci analyzovali obsah mezihvězdného plynu v této trpasličí galaxii, což naznačuje, že by měla být hrdá na své lithium: prostě tam nic není. aby se to utopilo.

Pomocí pozorování z Very Large Telescope Evropské jižní observatoře tam astronomové našli přesně tolik lithia, kolik předpověděl model velkého třesku, jak uvádí časopis Nature. Ale to bohužel příliš nepomohlo při řešení problému. Faktem je, že lithium se ve Vesmíru neustále tvoří během přírodních procesů a výbuchy supernov ho rovnoměrně distribuují po celé Metagalaxii, stejně jako všechny ostatní prvky produkované v hlubinách. Nové výsledky podle Christophera Hawka pouze prohloubily záhadu lithia: „O vyřešení tohoto problému můžeme mluvit pouze tehdy, pokud se od velkého třesku nezměnilo množství dostupného lithia.“ A pak už jen v měřítku Malého Magellanova mračna!

Nejdůležitější věc: je velmi obtížné si představit, že po dobu 12–13 miliard let termojaderné fúze, která vytvořila velmi těžké prvky umožňující život na Zemi, se z nějakého důvodu nevyrábělo lithium. Přinejmenším naše současné chápání termonukleární nukleosyntézy nám nedovoluje takovou hypotézu předložit.

Ještě horší je, že nová práce Miguela Pata z Technické univerzity v Mnichově (Německo) a Fabia Iocca ze Stockholmské univerzity (Švédsko) ukázala, že nejen supermasivní černé díry v jádrech galaxií, ale také nejběžnější (a početnější) BH hvězdného původu musí generovat lithium na svých akrečních discích, a to poměrně intenzivně.

Nyní se ukazuje, že téměř každý mikrokvasar (prostě systém černých děr – akreční disk) by měl vytvářet lithium. Ale teoreticky by jich mělo být mnohem více než SMBH, poznamenává Miguel Pato.

V této otázce zkrátka zatím není jasno. Christopher Hawk například naznačuje, že bezprostředně po velkém třesku mohly ve Vesmíru proběhnout z fyzikálního hlediska exotické reakce, na kterých se podílely částice temné hmoty, a ty potlačily vznik lithia. To by mohlo vysvětlit skutečnost, že v Malém Magellanově mračnu bylo více lithia než v naší Galaxii: trpasličí galaxie, mezi které patří SMC, měly být v raném vesmíru méně aktivní při přitahování temné hmoty. To znamená, že tyto hypotetické reakce měly menší vliv na koncentraci lithia v nich. Pan Hawk hodlá tuto myšlenku otestovat pomocí hlubší studie Malého Magellanova mračna...

Doposud jsme lithium mohli hledat pouze ve hvězdách naší Galaxie, které jsou nám nejblíže. A nyní se skupině astronomů podařilo určit hladinu lithia v hvězdokupě mimo naši Galaxii.

Hvězdokupa Messier 54 má tajemství - nepatří do Mléčné dráhy a je součástí satelitní galaxie - trpasličí eliptické galaxie Sagittarius. Toto uspořádání hvězdokupy umožnilo vědcům otestovat, zda je obsah lithia ve hvězdách mimo Mléčnou dráhu také nízký.

V blízkosti Mléčné dráhy se nachází více než 150 kulových hvězdokup, které se skládají ze stovek tisíc starověkých hvězd. Jedna z těchto hvězdokup, spolu s dalšími v souhvězdí Střelce, byla objevena koncem 18. století francouzským vědcem „lovcem komet“ Charlesem Messierem a nese jeho jméno Messier 54.

Po více než dvě století se vědci mylně domnívali, že M54 je kupa jako všechny ostatní v Mléčné dráze, ale v roce 1994 se zjistilo, že tato hvězdokupa patří jiné galaxii – trpasličí eliptické galaxii Střelec. Bylo také zjištěno, že objekt je 90 000 světelných let od Země, což je více než trojnásobek vzdálenosti mezi Sluncem a galaktickým středem.

V současné době astronomové pozorují M54 pomocí dalekohledu VLT Survey a snaží se vyřešit jednu z nejzáhadnějších otázek v moderní astronomii týkající se přítomnosti lithia ve hvězdách.

Na tomto obrázku vidíte nejen samotnou kupu, ale také velmi husté popředí skládající se z hvězd Mléčné dráhy. Foto ESO.

Dříve byli astronomové schopni určit obsah lithia pouze ve hvězdách Mléčné dráhy. Nyní však výzkumný tým vedený Alessiem Mucciarellim z univerzity v Bologni použil průzkum VLT k měření množství lithia v extragalaktické hvězdokupě M54. Studie zjistila, že množství lithia ve starých hvězdách M54 se neliší od hvězd v Mléčné dráze. Proto, bez ohledu na to, kam se lithium dostane, Mléčná dráha s ním nemá absolutně nic společného.

lithiový kov

Lithium je nejlehčí kov, 5x lehčí než hliník. Lithium získalo svůj název podle toho, že bylo objeveno v „kamenech“ (řecky λίθος - kámen). Jméno navrhl Berzelius. Jedná se o jeden ze tří prvků (kromě vodíku a helia), které vznikly v éře primární nukleosyntézy po velkém třesku, ještě před zrozením hvězd. Od té doby se jeho koncentrace ve Vesmíru prakticky nezměnila.

Lithium lze právem nazvat nejdůležitějším prvkem moderní civilizace a rozvoje technologií. V minulém a předminulém století byla kritérii rozvoje průmyslové a ekonomické síly států výroba nejdůležitějších kyselin a kovů, vodních a energetických zdrojů. V 21. století se lithium pevně a trvale zapsalo do seznamu takových ukazatelů. Dnes má lithium ve vyspělých průmyslových zemích mimořádný ekonomický a strategický význam.

Studiem nové hvězdy Nova Delphini 2013 (V339 Del) byli astronomové schopni detekovat chemický prekurzor lithia, a tak provedli první přímá pozorování procesů tvorby třetího prvku periodické tabulky – o kterém se dříve pouze teoretizovalo. .

„Doposud neměli vědci přímé pozorovací důkazy o vzniku lithia v novech, ale po provedení našeho výzkumu můžeme říci, že k takovým procesům dochází,“ řekl vedoucí autor nového vědeckého článku Akito Taitsu z Národní observatoře. Japonska.

K explozím Novae dochází, když hmota v blízkém dvojhvězdném systému proudí z jedné z jejích základních hvězd na povrch doprovodné hvězdy, bílého trpaslíka. Nekontrolovaná termonukleární reakce způsobuje prudký nárůst jasu hvězdy, což vede k tvorbě prvků těžších než vodík a helium, které jsou ve většině hvězd ve vesmíru přítomny ve významném množství.

Jedním z chemických prvků vzniklých v důsledku takové exploze je široce rozšířený izotop lithia Li-7. Zatímco většina těžkých prvků se tvoří v jádrech hvězd a výbuchů supernov, Li-7 je příliš křehký prvek na to, aby vydržel vysoké teploty vyskytující se ve většině hvězdných jader.

Část lithia přítomného ve vesmíru vznikla v důsledku velkého třesku. Kromě toho by určité množství lithia mohlo vzniknout v důsledku interakce kosmického záření s hvězdami a mezihvězdnou hmotou. Tyto procesy však nevysvětlují velmi velké množství lithia přítomného v dnešním vesmíru.

V 50. letech 20. století Vědci navrhli, že lithium ve vesmíru může být tvořeno z izotopu berylia Be-7, který se tvoří v blízkosti povrchu hvězd a může být transportován do vesmíru, kde je snížen vliv vysokých teplot na materiál, a nově vzniklý lithium zůstává ve stabilním stavu. Doposud však bylo pozorování lithia vytvořeného poblíž povrchu hvězdy ze Země poměrně obtížným úkolem.

Taitsu a jeho tým použili pro svá pozorování dalekohled Subaru umístěný na Havaji. Během pozorování tým jasně zaznamenal, jak se nuklid Be-7, který má poločas rozpadu 53 dní, změnil na Li-7.

"Dva nejhojnější prvky ve vesmíru jsou vodík a hloupost." - Harlan Ellison. Po vodíku a heliu je periodická tabulka plná překvapení. Mezi nejúžasnější fakta patří, že každý materiál, kterého jsme se kdy dotkli, viděli nebo s ním interagovali, se skládá ze dvou stejných věcí: atomových jader, která jsou kladně nabitá, a elektronů, které jsou nabité záporně. Způsob, jakým tyto atomy na sebe vzájemně působí – jak se tlačí, spojují, přitahují a odpuzují, vytvářejí nové stabilní molekuly, ionty, elektronické energetické stavy – ve skutečnosti určuje malebnost světa kolem nás.

I když jsou to kvantové a elektromagnetické vlastnosti těchto atomů a jejich složek, které umožňují vznik našeho vesmíru, je důležité pochopit, že nezačal se všemi těmito prvky. Spíše naopak, začínala prakticky bez nich.

Víte, k dosažení rozmanitosti vazebných struktur a vybudování složitých molekul, které jsou základem všeho, co známe, potřebujete spoustu atomů. Ne v kvantitativním vyjádření, ale v rozmanitosti, to znamená, že ve svých atomových jádrech jsou atomy s různým počtem protonů: to je to, co odlišuje prvky.

Naše tělo potřebuje prvky jako uhlík, dusík, kyslík, fosfor, vápník a železo. Naše zemská kůra potřebuje prvky jako křemík a řadu dalších těžkých prvků, zatímco zemské jádro - k výrobě tepla - potřebuje prvky pravděpodobně z celé periodické tabulky, které se vyskytují v přírodě: thorium, radium, uran a dokonce i plutonium.

Uplynul nějaký čas. První jádra se spojila a už se nikdy neoddělila, produkovala vodík a jeho izotopy, helium a jeho izotopy a nepatrná, sotva viditelná množství lithia a berylia, z nichž druhé se následně radioaktivně rozpadlo na lithium. Zde začal vesmír: podle počtu jader – 92 % vodíku, 8 % helia a přibližně 0,00000001 % lithia. Hmotnostně - 75-76% vodíku, 24-25% helia a 0,00000007% lithia. Na začátku byla dvě slova: vodík a helium, a to je, dalo by se říci, vše.

O stovky tisíc let později se vesmír ochladil natolik, že se mohly vytvořit neutrální atomy, a o desítky milionů let později gravitační kolaps umožnil vznik prvních hvězd. Fenomén jaderné fúze přitom nejen naplnil vesmír světlem, ale umožnil i vznik těžkých prvků.

V době, kdy se zrodila první hvězda, asi 50 až 100 milionů let po velkém třesku, se začalo velké množství vodíku slučovat do hélia. Ale co je důležitější, nejhmotnější hvězdy (8krát hmotnější než naše Slunce) spálily své palivo velmi rychle a vyhořely za pouhých pár let. Jakmile v jádrech takových hvězd došel vodík, jádro helia se smrštilo a začalo spojovat tři atomová jádra na uhlík. Trvalo pouze bilión těchto těžkých hvězd v raném vesmíru (které vytvořily mnohem více hvězd během prvních několika set milionů let), než bylo lithium poraženo.

Možná si teď říkáte, že uhlík se v dnešní době stal prvkem číslo tři? Můžete o tom přemýšlet, protože hvězdy syntetizují prvky ve vrstvách, jako je cibule. Helium se syntetizuje na uhlík, uhlík na kyslík (později a při vyšších teplotách), kyslík na křemík a síru a křemík na železo. Na konci řetězce se železo nemůže sloučit do ničeho jiného, ​​takže jádro exploduje a hvězda se stane supernovou.

• pomalý záchyt neutronů (s-proces), sekvenční uspořádání prvků;
• fúze jader helia s těžkými prvky (za vzniku neonu, hořčíku, argonu, vápníku atd.);
• rychlý záchyt neutronů (r-proces) se vznikem prvků až po uran a dále.

Ale měli jsme více než jednu generaci hvězd: měli jsme jich mnoho a generace, která dnes existuje, není primárně postavena na panenském vodíku a heliu, ale také na zbytcích z předchozích generací. To je důležité, protože bez něj bychom nikdy neměli kamenné planety, pouze plynné obry vyrobené výhradně z vodíku a helia.

V průběhu miliard let se proces vzniku a zániku hvězd opakoval se stále více obohacenými prvky. Namísto prosté fúze vodíku na helium, masivní hvězdy fúzují vodík v cyklu C-N-O, čímž se nakonec vyrovnají objemy uhlíku a kyslíku (a o něco méně dusíku).

Navíc, když hvězdy procházejí fúzí helia za vzniku uhlíku, je docela snadné zachytit další atom helia za vzniku kyslíku (a dokonce přidat další helium ke kyslíku za vzniku neonu), a dokonce i naše Slunce to udělá během červeného obra. fáze.

Když se podíváme na zbytky supernov a planetární mlhoviny - zbytky velmi hmotných hvězd a hvězd podobných Slunci - zjistíme, že kyslík v každém případě převyšuje hmotnost a množství uhlíku. Také jsme zjistili, že žádný z ostatních prvků není ani zdaleka tak těžký.

Co nás čeká v budoucnosti?

Vesmír se mění. Kyslík je třetím nejrozšířenějším prvkem v moderním vesmíru a ve velmi, velmi vzdálené budoucnosti se může povznést nad vodík. Pokaždé, když dýcháte vzduch a cítíte se spokojeni s tímto procesem, pamatujte: hvězdy jsou jediným důvodem, proč existuje kyslík.

MOSKVA, 6. února – RIA Novosti. Ruští a zahraniční chemici tvrdí, že existuje možnost existence dvou stabilních sloučenin „nejxenofobnějšího“ prvku - helia, a experimentálně potvrdili existenci jedné z nich - helidu sodného, ​​uvádí článek publikovaný v časopise Nature Chemistry.

"Tato studie ukazuje, jak lze pomocí nejnovějších teoretických a experimentálních metod objevit zcela neočekávané jevy. Naše práce opět ilustruje, jak málo víme v současné době o vlivu extrémních podmínek na chemii a roli takových jevů v procesech uvnitř planet zůstává být vysvětlen,“ říká Artem Oganov, profesor na Skoltech a Moscow Phystech v Dolgoprudném.

Tajemství vzácných plynů

Prvotní hmota vesmíru, která vznikla několik set milionů let po velkém třesku, se skládala pouze ze tří prvků – vodíku, hélia a stopových množství lithia. Helium je stále třetím nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru, ale na Zemi se nachází ve velmi malém množství a zásoby helia na planetě neustále klesají kvůli tomu, že se vypařuje do vesmíru.

Charakteristickým rysem helia a dalších prvků osmé skupiny periodické tabulky, které vědci nazývají „vzácné plyny“, je to, že jsou extrémně neochotné - v případě xenonu a dalších těžkých prvků - nebo v zásadě jako neon, nejsou schopny vstupovat do chemických reakcí. Existuje jen několik desítek sloučenin xenonu a kryptonu s fluorem, kyslíkem a dalšími silnými oxidačními činidly, žádné sloučeniny neonu a jedna sloučenina helia, které byly experimentálně objeveny v roce 1925.

Tato sloučenina, kombinace protonu a helia, není skutečnou chemickou sloučeninou v přísném slova smyslu - helium se v tomto případě nepodílí na tvorbě chemických vazeb, ačkoliv ovlivňuje chování atomů vodíku zbavených elektron. Jak chemici dříve předpokládali, „molekuly“ této látky měly být nalezeny v mezihvězdném prostředí, ale za posledních 90 let je astronomové neobjevili. Možným důvodem je to, že tento iont je extrémně nestabilní a je zničen při kontaktu s téměř jakoukoli jinou molekulou.

Artem Oganov a jeho tým přemýšleli, zda by sloučeniny helia mohly existovat za exotických podmínek, o kterých si pozemskí chemici jen zřídka myslí – při ultra vysokých tlacích a teplotách. Oganov a jeho kolegové studují takovou „exotickou“ chemii již poměrně dlouho a dokonce vyvinuli speciální algoritmus pro hledání látek, které v takových podmínkách existují. S jeho pomocí zjistili, že v hlubinách plynných obrů a některých dalších planet může existovat exotická kyselina ortokarbonová, „nemožné“ verze obyčejné kuchyňské soli a řada dalších sloučenin, které „porušují“ zákony klasické chemie.

Pomocí stejného systému USPEX, ruští a zahraniční vědci zjistili, že při ultravysokých tlacích převyšujících atmosférický tlak 150 tisíc a milionkrát existují dvě stabilní sloučeniny helia - helid sodný a oxygelid sodný. První sloučenina se skládá ze dvou atomů sodíku a jednoho atomu helia a druhá se skládá z kyslíku, helia a dvou atomů sodíku.

Atom na diamantové kovadlině

Oba tlaky lze snadno získat pomocí moderních diamantových kovadlin, což udělali Oganovovi kolegové pod vedením dalšího Rusa Alexandra Gončarova z Geofyzikální laboratoře ve Washingtonu. Jeho experimenty ukázaly, že helid sodný vzniká při tlaku přibližně 1,1 milionu atmosfér a zůstává stabilní až do alespoň 10 milionů atmosfér.

Je zajímavé, že helid sodný má podobnou strukturu a vlastnosti jako soli fluoru, „soused helia“ v periodické tabulce. Každý atom helia v této „soli“ je obklopen osmi atomy sodíku, podobně jako struktura fluoridu vápenatého nebo jakékoli jiné soli kyseliny fluorovodíkové. Elektrony v Na2He jsou „přitahovány“ k atomům tak silně, že tato sloučenina, na rozdíl od sodíku, je izolant. Vědci takové struktury nazývají iontové krystaly, protože elektrony v nich přebírají roli a místo záporně nabitých iontů.

"Sloučenina, kterou jsme objevili, je docela neobvyklá: ačkoli se atomy helia přímo nepodílejí na chemické vazbě, jejich přítomnost zásadně mění chemické interakce mezi atomy sodíku, podporuje silnou lokalizaci valenčních elektronů, což z výsledného materiálu dělá izolant," vysvětluje Xiao Dong. z univerzity Nankan v Tianjinu (Čína).

Další sloučenina, Na2HeO, se ukázala být stabilní v tlakovém rozsahu od 0,15 do 1,1 milionu atmosfér. Látka je také iontový krystal a má strukturu podobnou Na2He, pouze roli záporně nabitých iontů v nich nehrají elektrony, ale atomy kyslíku.

Je zajímavé, že všechny ostatní alkalické kovy, které mají vyšší reaktivitu, jsou mnohem méně ochotné tvořit sloučeniny s heliem při tlacích ne více než 10 milionkrát vyšších, než je tlak atmosférický.

Oganov a jeho kolegové to připisují tomu, že dráhy, po kterých se pohybují elektrony v atomech draslíku, rubidia a cesia, se s rostoucím tlakem znatelně mění, což se u sodíku z dosud nejasných důvodů nestává. Vědci se domnívají, že helid sodný a další podobné látky lze nalézt v jádrech některých planet, bílých trpaslíků a dalších hvězd.