Helis buvo priverstas sukurti stabilų cheminį junginį. Staigmena: atspėkite, koks yra trečias pagal gausumą elementas Visatoje? Litis ir helis yra susiję

Rusijos ir užsienio chemikai teigia, kad egzistuoja du stabiliausi „ksenofobiškiausio“ elemento – helio – junginiai, ir eksperimentiškai patvirtino vieno iš jų – natrio helido – egzistavimą, teigiama žurnale „Nature Chemistry“ paskelbtame straipsnyje.

"Šis tyrimas parodo, kaip naudojant naujausius teorinius ir eksperimentinius metodus galima atrasti visiškai netikėtus reiškinius. Mūsų darbas dar kartą parodo, kiek mažai šiuo metu žinome apie ekstremalių sąlygų įtaką chemijai, o tokių reiškinių vaidmuo planetose vykstantiems procesams išlieka turi būti paaiškinta“, – sako Artemas Oganovas, Dolgoprudnyje įsikūrusių Skoltech ir Moscow Phystech profesorius.

Tauriųjų dujų paslaptys

Pirmapradė Visatos materija, atsiradusi keliems šimtams milijonų metų po Didžiojo sprogimo, susidarė tik iš trijų elementų – vandenilio, helio ir nedidelio kiekio ličio. Helis vis dar yra trečias labiausiai paplitęs elementas visatoje, tačiau Žemėje jo randama labai mažais kiekiais, o helio atsargos planetoje nuolat mažėja dėl to, kad jis išgaruoja į kosmosą.

Išskirtinis helio ir kitų aštuntosios periodinės lentelės grupės elementų, kuriuos mokslininkai vadina „tauriosiomis dujomis“, bruožas yra tai, kad jie yra labai nenoriai – ksenono ir kitų sunkiųjų elementų atveju – arba, iš esmės, kaip neonas, negali įsitraukti į chemines reakcijas. Yra tik kelios dešimtys ksenono ir kriptono junginių su fluoru, deguonimi ir kitais stipriais oksidatoriais, nulis neono junginių ir vienas helio junginys, eksperimentiškai atrastas 1925 m.

Šis junginys, protono ir helio derinys, nėra tikras cheminis junginys griežtąja to žodžio prasme – helis šiuo atveju nedalyvauja formuojant cheminius ryšius, nors turi įtakos vandenilio atomų elgsenai. elektronas. Kaip anksčiau manė chemikai, šios medžiagos „molekulės“ turėjo būti rastos tarpžvaigždinėje terpėje, tačiau per pastaruosius 90 metų astronomai jų neaptiko. Galima priežastis Taip yra todėl, kad šis jonas yra labai nestabilus ir sunaikinamas susilietus su beveik bet kuria kita molekule.

Artemas Oganovas ir jo komanda domėjosi, ar helio junginiai gali egzistuoti egzotiškomis sąlygomis, apie kurias retai pagalvoja sausumos chemikai – ekstremaliomis sąlygomis. aukšto slėgio ir temperatūros. Oganovas ir jo kolegos gana ilgą laiką studijavo tokią „egzotišką“ chemiją ir netgi sukūrė specialų algoritmą tokiomis sąlygomis egzistuojančių medžiagų paieškai. Su jo pagalba jie atrado, kad dujų milžinų ir kai kurių kitų planetų gelmėse gali egzistuoti egzotiška ortokarbono rūgštis, „neįmanomos“ paprastos valgomosios druskos versijos ir daugybė kitų junginių, „pažeidžiančių“ klasikinės chemijos dėsnius.

Naudodami tą pačią sistemą USPEX, Rusijos ir užsienio mokslininkai išsiaiškino, kad esant itin aukštam slėgiui, viršijančiam atmosferos slėgį 150 tūkstančių ir milijoną kartų, yra du stabilūs helio junginiai – natrio oksigelidas ir natrio helidas. Pirmasis junginys susideda iš dviejų natrio atomų ir vieno helio atomo, o antrasis - iš deguonies, helio ir dviejų natrio atomų.

Atomas ant deimantinio priekalo

Abu slėgius galima nesunkiai pasiekti naudojant modernius deimantinius priekalus, o tai padarė Oganovo kolegos, vadovaujami kitam rusui Aleksandrui Gončarovui iš Geofizikos laboratorijos Vašingtone. Jo eksperimentai parodė, kad natrio helidas susidaro esant maždaug 1,1 milijono atmosferų slėgiui ir išlieka stabilus iki mažiausiai 10 milijonų atmosferų.

Įdomu tai, kad natrio helidas savo struktūra ir savybėmis panašus į fluoro druskas, helio „kaimyną“ periodinėje lentelėje. Kiekvienas šios „druskos“ helio atomas yra apsuptas aštuonių natrio atomų, panašių į kalcio fluorido ar bet kurios kitos vandenilio fluorido rūgšties druskos struktūrą. Na2He elektronai yra taip stipriai „pritraukiami“ prie atomų, kad šis junginys, skirtingai nei natris, yra izoliatorius. Mokslininkai tokias struktūras vadina joniniais kristalais, nes elektronai juose užima neigiamo krūvio jonų vaidmenį ir vietą.

„Mūsų atrastas junginys yra gana neįprastas: nors helio atomai tiesiogiai nedalyvauja cheminiame jungime, jų buvimas iš esmės keičia cheminę sąveiką tarp natrio atomų, skatina stiprią valentinių elektronų lokalizaciją, todėl gauta medžiaga tampa izoliatoriumi“, - aiškina Xiao Dong. iš Nankan universiteto Tiandzine (Kinija).

Kitas junginys, Na2HeO, pasirodė esantis stabilus slėgio diapazone nuo 0,15 iki 1,1 milijono atmosferų. Medžiaga taip pat yra joninis kristalas ir savo struktūra panaši į Na2He, tik neigiamai įkrautų jonų vaidmenį juose atlieka ne elektronai, o deguonies atomai.

Įdomu tai, kad visi kiti šarminiai metalai, kurių reaktyvumas yra didesnis, daug mažiau nori sudaryti junginius su heliu, kai slėgis yra ne daugiau kaip 10 milijonų kartų didesnis nei atmosferos slėgis.

Oganovas ir jo kolegos tai sieja su tuo, kad orbitos, kuriomis juda elektronai kalio, rubidžio ir cezio atomuose, dėl dar neaiškių priežasčių pastebimai keičiasi didėjant slėgiui, o tai neįvyksta su natriu. Mokslininkai mano, kad kai kurių planetų, baltųjų nykštukų ir kitų žvaigždžių branduoliuose galima rasti natrio helido ir kitų panašių medžiagų.

Mokslininkams pavyko gauti ir užregistruoti ličio helio molekulę LiHe. Tai viena trapiausių žinomų molekulių. Ir jo dydis yra daugiau nei dešimt kartų didesnis už vandens molekulių dydį.

Kaip žinoma, neutralūs atomai ir molekulės gali sudaryti daugiau ar mažiau stabilius ryšius vienas su kitu trimis būdais. Pirma, per kovalentinius ryšius, kai du atomai turi vieną ar daugiau bendrų elektronų porų. Kovalentiniai ryšiai yra stipriausi iš trijų. Būdinga jų plyšimo energija dažniausiai lygi keliems elektronvoltams.

Pastebimai silpnesnis už kovalentinius vandenilio ryšius. Tai yra trauka, kuri atsiranda tarp susieto vandenilio atomo ir kitos molekulės elektronneigiamo atomo (dažniausiai deguonies arba azoto, rečiau fluoro). Nepaisant to, kad vandenilinių jungčių energija yra šimtus kartų mažesnė nei kovalentinių, jie daugiausia lemia fizines savybes vandens, taip pat atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį organiniame pasaulyje.

Ir galiausiai silpniausia yra vadinamoji van der Waals sąveika. Kartais jis taip pat vadinamas išsklaidytu. Jis atsiranda dėl dviejų atomų ar molekulių dipolio ir dipolio sąveikos. Šiuo atveju dipoliai gali būti arba iš pradžių būdingi molekulėms (pavyzdžiui, vanduo turi dipolio momentą), arba sukelti sąveikos rezultatu.

Būdinga van der Waals ryšio energija yra kelvinų vienetais (aukščiau paminėtas elektronų voltas atitinka maždaug 10 000 kelvinų). Silpniausia van der Waals jungtis yra tarp dviejų indukuotų dipolių. Jei yra du nepoliniai atomai, tai dėl šiluminio judėjimo kiekvienas iš jų turi tam tikrą atsitiktinai svyruojantį dipolio momentą (atrodo, kad elektronų apvalkalas šiek tiek dreba branduolio atžvilgiu). Šie momentai sąveikauja vienas su kitu ir dėl to pirmiausia turi tokią orientaciją, kad du atomai pradeda traukti vienas kitą.

Inertiškiausias iš visų atomų yra helis. Jis nesudaro kovalentinių ryšių su jokiu kitu atomu. Tuo pačiu metu jo poliarizavimo vertė yra labai maža, tai yra, jam sunku sudaryti išsklaidytus ryšius. Tačiau yra viena svarbi aplinkybė. Helio atomo elektronai yra taip stipriai surišti su branduoliu, kad jis, nebijant atstumiančių jėgų, gali būti labai arti kitų atomų – ​​iki šio atomo spindulio eilės atstumu. Dispersinės jėgos didėja mažėjant atstumui tarp atomų labai greitai – atvirkščiai proporcingos šeštajai atstumo laipsniai!

Čia ir gimė mintis: jei du helio atomus suartinsite vienas prie kito, tarp jų vis tiek atsiras trapus van der Waals ryšys. Tai iš tikrųjų buvo pasiekta dešimtojo dešimtmečio viduryje, nors tam reikėjo daug pastangų. Tokio ryšio energija yra tik 1 mK, o He2 molekulė buvo aptikta nedideliais kiekiais peršaldomose helio srovėse.

Be to, He2 molekulės savybės daugeliu atžvilgių yra unikalios ir neįprastos. Pavyzdžiui, jo dydis yra... apie 5 nm! Palyginimui, vandens molekulės dydis yra apie 0,1 nm. Šiuo atveju minimali helio molekulės potenciali energija atsiranda daug mažesniu atstumu - apie 0,2 nm, tačiau didžiąją laiko dalį - apie 80% - helio atomai molekulėje praleidžia tuneliavimo režimu, tai yra regionas, kuriame klasikinės mechanikos rėmuose jie yra, negalėjo.

Kitas pagal dydį atomas po helio yra litis, todėl gavus helio molekulę tapo natūralu ištirti galimybę užfiksuoti ryšį tarp helio ir ličio. Ir galiausiai tai pavyko padaryti ir mokslininkams. Ličio-helio molekulės LiHe surišimo energija yra didesnė nei helio-helio - 34±36 mK, o atstumas tarp atomų, priešingai, yra mažesnis - apie 2,9 nm. Tačiau net ir šioje molekulėje atomai dažniausiai yra klasikinės draudžiamose būsenose po energijos barjeru. Įdomu tai, kad LiHe molekulės potencialas yra toks mažas, kad jis gali egzistuoti tik vienoje vibracinės energijos būsenoje, kuri iš tikrųjų yra dubleto skilimas dėl 7Li atomo sukimosi. Jo sukimosi konstanta yra tokia didelė (apie 40 mK), kad sukimosi spektro sužadinimas veda prie molekulės sunaikinimo.

Brett Esry / Kanzaso valstijos universitetas

Kol kas gauti rezultatai įdomūs tik fundamentaliu požiūriu. Tačiau jie jau domisi giminingomis mokslo sritimis. Taigi daugelio dalelių helio klasteriai gali tapti priemone tiriant sulėtėjimo efektus Kazimiero vakuume. Helio ir helio sąveikos tyrimas taip pat svarbus kvantinei chemijai, kuri galėtų išbandyti savo modelius šioje sistemoje. Ir, žinoma, neabejotina, kad mokslininkai sugalvos kitų įdomių ir svarbių pritaikymų tokiems ekstravagantiškiems objektams kaip He2 ir LiHe molekulės.

Galbūt esate girdėję posakį „tu iš žvaigždžių dulkių“ – ir tai tiesa. Daugelis dalelių, sudarančių jūsų kūną ir jus supantį pasaulį, susiformavo žvaigždžių viduje prieš milijardus metų. Tačiau yra medžiagų, kurios susidarė pačioje pradžioje, po Visatos gimimo.

Kai kurie astronomai mano, kad jie pasirodė praėjus vos kelioms minutėms po Didžiojo sprogimo. Labiausiai paplitę elementai Visatoje yra vandenilis ir helis, ir labai nedideli jų kiekiai cheminė medžiaga kaip ličio.

Astronomai gali mažai tiksliai nustatyti, kiek ličio buvo jaunoje Visatoje. Norėdami tai padaryti, turite ištirti seniausias žvaigždes. Tačiau gauti rezultatai nesutampa – pasirodė, kad senos žvaigždės turi 3 kartus mažiau ličio, nei tikėtasi aptikti! Šios paslapties priežastis vis dar nežinoma.

Pažiūrėkime atidžiau...

Griežtai kalbant, esant dabartiniam mūsų stebėjimų lygiui, neturėtų būti jokios klaidos: ličio yra labai mažai. Situacija aiškiai sufleruoja apie kažkokią naują fiziką, nežinomą procesą, kuris įvyko iškart po Didžiojo sprogimo.

Naujausi tyrimai šia tema buvo skirti mažiausiai po Didžiojo sprogimo pakitusiems regionams – Paukščių Tako pakraštyje išsidėsčiusių senų žvaigždžių atmosferoms. Kadangi jie yra izoliuoti nuo šerdies, kurioje gali būti gaminamas litis, vėlyvo užteršimo, turinčio įtakos rezultatams, tikimybė turėtų būti labai maža. Tik maždaug trečdalis lygių, numatytų modeliuojant, buvo rasta jų ličio-7 atmosferoje. Priežastys? Vienas iš paaiškinimų yra tas, kad jis nuskendo. Litis iš žvaigždžių atmosferos tiesiog pradėjo skęsti žvaigždžių materijoje, palaipsniui pasiekdamas jų gelmes. Štai kodėl tai nėra matoma jų atmosferoje.

Christopheris Hawkas iš Notre Dame universiteto (Indiana, JAV) ir jo kolegos įsipareigojo patikrinti rezultatus, remdamiesi Mažojo Magelano debesies – Paukščių Tako palydovinės galaktikos – duomenimis. Siekdami atsikratyti „ličio nuskendusio“ poveikio ir kitų vietinių žvaigždžių procesų įtakos, mokslininkai išanalizavo tarpžvaigždinių dujų turinį šioje nykštukinėje galaktikoje, teigdami, kad ji turėtų didžiuotis savo ličiu: tiesiog nieko nėra. kad jis paskęstų.

Naudodami Europos pietų observatorijos labai didelio teleskopo stebėjimus, astronomai ten aptiko lygiai tiek ličio, kiek prognozavo Didžiojo sprogimo modelis, kaip rašoma žurnale Nature. Tačiau tai, deja, nelabai padėjo išspręsti problemą. Faktas yra tas, kad litis Visatoje nuolat susidaro vykstant natūraliems procesams, o supernovų sprogimai tolygiai paskirsto jį visoje Metagalaktikoje, kaip ir visus kitus gelmėse gaminamus elementus. Nauji rezultatai, pasak Christopherio Hawko, tik pagilino ličio paslaptį: „Galime kalbėti apie šios problemos sprendimą tik tuo atveju, jei po Didžiojo sprogimo nepasikeitė turimo ličio kiekis“. Ir tada tik Mažojo Magelano debesies mastu!

Svarbiausias dalykas: labai sunku įsivaizduoti, kad per 12–13 milijardų metų termobranduolinė sintezė sukūrė labai sunkius elementus, galimas gyvenimas Kažkodėl litis Žemėje nebuvo gaminamas. Bent jau mūsų dabartinis termobranduolinės nukleosintezės supratimas neleidžia iškelti tokios hipotezės.

Dar blogiau, kad nauji Miguelio Pato iš Miuncheno technikos universiteto (Vokietija) ir Fabio Iocco iš Stokholmo universiteto (Švedija) darbai parodė, kad galaktikų šerdyje yra ne tik supermasyvios juodosios skylės, bet ir labiausiai paplitusios (ir daugiau) Žvaigždžių kilmės BH turi generuoti litį savo akreciniuose diskuose ir gana intensyviai.

Dabar paaiškėjo, kad beveik kiekvienas mikrokvazaras (tiesiog juodųjų skylių sistema – akrecinis diskas) turėtų sukurti ličio. Tačiau teoriškai jų turėtų būti daug daugiau nei SMBH, pažymi Miguelis Pato.

Trumpai tariant, šiuo klausimu dar nėra aiškumo. Pavyzdžiui, Christopheris Hawkas teigia, kad iš karto po Didžiojo sprogimo Visatoje galėjo įvykti kažkokios egzotiškos fizikiniu požiūriu reakcijos, kuriose dalyvavo tamsiosios medžiagos dalelės, kurios slopino ličio susidarymą. Tai gali paaiškinti faktą, kad Mažajame Magelano debesyje buvo daugiau ličio nei mūsų galaktikoje: nykštukinės galaktikos, kurioms priklauso SMC, turėjo traukti ne taip aktyviai. Juodoji medžiaga ankstyvojoje Visatoje. Tai reiškia, kad šios hipotetinės reakcijos turėjo mažesnį poveikį ličio koncentracijai jose. P. Hawkas ketina išbandyti šią idėją su daugiau giluminis tyrimas Mažas Magelano debesis...

Iki šiol ličio galėjome ieškoti tik artimiausiose mūsų Galaktikos žvaigždėse. Ir dabar astronomų grupei pavyko nustatyti ličio lygį žvaigždžių spiečiuje už mūsų galaktikos ribų.

Žvaigždžių spiečius Mesjė 54 turi paslaptį – jis nepriklauso Paukščių Takui ir yra palydovinės galaktikos – elipsinės Šaulio nykštukinės galaktikos – dalis. Toks klasterio išdėstymas leido mokslininkams patikrinti, ar žvaigždžių, esančių už Paukščių Tako ribų, ličio kiekis taip pat yra mažas.

Netoli Paukščių Tako yra daugiau nei 150 rutulinių žvaigždžių spiečių, susidedančių iš šimtų tūkstančių senovinių žvaigždžių. Vieną iš šių spiečių, kartu su kitais Šaulio žvaigždyne, XVIII amžiaus pabaigoje atrado prancūzų mokslininkas „kometų medžiotojas“ Charlesas Mesjė ir vadinasi Mesjė 54.

Daugiau nei du šimtmečius mokslininkai klaidingai manė, kad M54 yra spiečius, kaip ir visi kiti Paukščių Tako spiečius, tačiau 1994 metais buvo atrasta, kad šis žvaigždžių spiečius priklauso kitai galaktikai – elipsinei Šaulio nykštukinei galaktikai. Taip pat buvo nustatyta, kad objektas yra 90 000 šviesmečių nuo Žemės, daugiau nei tris kartus didesnis už atstumą tarp Saulės ir galaktikos centro.

IN Šis momentas Astronomai stebi M54 naudodamiesi VLT Survey teleskopu, bandydami išspręsti vieną mįslingiausių šiuolaikinės astronomijos klausimų, susijusių su ličio buvimu žvaigždėse.

Šiame paveikslėlyje matote ne tik patį spiečius, bet ir labai tankų priekinį planą, sudarytą iš Paukščių Tako žvaigždžių. ESO nuotrauka.

Anksčiau astronomai galėjo nustatyti ličio kiekį tik Paukščių Tako žvaigždėse. Tačiau dabar tyrimų grupė, vadovaujama Alessio Mucciarelli iš Bolonijos universiteto, naudojo VLT tyrimą, kad išmatuotų ekstragalaktinio žvaigždžių spiečiaus M54 ličio kiekį. Tyrimas parodė, kad ličio kiekis senose M54 žvaigždėse nesiskiria nuo žvaigždžių Paukščių Tako. Todėl, kad ir kur nukeliautų litis, Paukščių Takas su juo visiškai nesusijęs.

ličio metalo

Ličio yra daugiausia lengvo metalo, 5 kartus lengvesnis už aliuminį. Litis gavo savo pavadinimą dėl to, kad jis buvo aptiktas „akmenyse“ (gr. λίθος – akmuo). Vardą pasiūlė Berzelius. Tai vienas iš trijų elementų (be vandenilio ir helio), kurie susidarė pirminės nukleosintezės eroje po Didžiojo sprogimo, dar prieš žvaigždžių gimimą. Nuo tada jo koncentracija Visatoje išliko beveik nepakitusi.

Litis pagrįstai gali būti vadinamas svarbiausiu šiuolaikinės civilizacijos ir technologijų plėtros elementu. Praėjusį ir užpraeitą šimtmetį valstybių pramoninės ir ekonominės galios raidos kriterijai buvo svarbiausių rūgščių ir metalų, vandens ir energijos išteklių gamyba. XXI amžiuje litis tvirtai ir visam laikui pateko į tokių rodiklių sąrašą. Šiandien išsivysčiusiose pramonės šalyse litis turi išskirtinę ekonominę ir strateginę reikšmę.

Ištyrę naują žvaigždę Nova Delphini 2013 (V339 Del), astronomai sugebėjo aptikti cheminį ličio pirmtaką ir taip atlikti pirmuosius tiesioginius trečiojo periodinės lentelės elemento formavimosi procesų stebėjimus, kurie anksčiau buvo tik teoriniai. .

„Iki šiol mokslininkai neturėjo tiesioginio stebėjimo patvirtinimo apie ličio susidarymą naujose žvaigždėse, tačiau atlikę savo tyrimus galime teigti, kad tokie procesai vyksta“, – sakė pagrindinis naujosios autorius. mokslinis darbas Akito Taitsu iš Japonijos nacionalinės observatorijos.

Novos sprogimai įvyksta, kai materija artimoje dvinarėje žvaigždžių sistemoje teka iš vienos iš ją sudarančių žvaigždžių į žvaigždės kompanionės, baltosios nykštukės, paviršių. Nekontroliuojama termobranduolinė reakcija sukelia staigų žvaigždės šviesumo padidėjimą, o tai savo ruožtu veda prie elementų, sunkesnių už vandenilį ir helią, susidarymą, kurių daugumoje Visatos žvaigždžių yra daug.

Vienas iš cheminiai elementai, susidaręs dėl tokio sprogimo, yra plačiai paplitęs ličio izotopas Li-7. Nors dauguma sunkiųjų elementų susidaro žvaigždžių ir supernovų sprogimų šerdyje, Li-7 yra per trapus elementas, kad galėtų atlaikyti daugumoje žvaigždžių branduolių esančią aukštą temperatūrą.

Dalis Visatoje esančio ličio susidarė dėl Didžiojo sprogimo. Be to, kai kurie ličio kiekiai gali susidaryti dėl kosminių spindulių sąveikos su žvaigždėmis ir tarpžvaigždine medžiaga. Tačiau šie procesai per daug nepaaiškina dideli kiekiai Ličio, kuris šiandien yra Visatoje.

1950 m mokslininkai pasiūlė, kad litis Visatoje gali susidaryti iš berilio izotopo Be-7, kuris susidaro šalia žvaigždžių paviršiaus ir gali būti perneštas į kosmosą, kur sumažėja ekspozicija. aukšta temperatūra ant medžiagos, o naujai susidaręs litis išlieka stabilios būsenos. Tačiau prieš šiandien Stebėti iš Žemės šalia žvaigždės paviršiaus susidariusį litį buvo gana sudėtinga užduotis.

Taitsu ir jo komanda savo stebėjimams naudojo „Subaru“ teleskopą, esantį Havajuose. Stebėjimų metu komanda aiškiai užfiksavo, kaip nuklidas Be-7, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 53 dienos, virto Li-7.

"Du gausiausi elementai visatoje yra vandenilis ir kvailumas." - Harlanas Elisonas. Po vandenilio ir helio periodinėje lentelėje gausu netikėtumų. Tarp labiausiai nuostabių faktų taip pat yra tai, kad kiekviena medžiaga, kurią mes kada nors palietėme, matėme, su kuria sąveikavome, yra sudaryta iš tų pačių dviejų dalykų: teigiamai įkrautų atomų branduolių ir neigiamai įkrautų elektronų. Tai, kaip šie atomai sąveikauja vienas su kitu – kaip jie stumia, jungiasi, traukia ir atstumia, kurdami naujas stabilias molekules, jonus, elektroninės energijos būsenas – iš tikrųjų lemia mus supančio pasaulio vaizdingumą.

Net jei būtent šių atomų ir jų komponentų kvantinės ir elektromagnetinės savybės leidžia atsirasti mūsų Visatai, svarbu suprasti, kad tai prasidėjo ne nuo visų šių elementų. Priešingai, ji pradėjo praktiškai be jų.

Matote, norint pasiekti įvairias ryšių struktūras ir sukurti sudėtingas molekules, kurios yra visko, ką žinome, pagrindu, jums reikia daug atomų. Ne kiekybine prasme, o įvairove, tai yra, kad jų atomų branduoliuose yra skirtingų protonų skaičių: tuo elementai skiriasi.

Mūsų organizmui reikia tokių elementų kaip anglis, azotas, deguonis, fosforas, kalcis ir geležis. Mūsų Žemės plutai reikia elementų, tokių kaip silicis ir daugybė kitų sunkiųjų elementų, o Žemės šerdyje – šilumai generuoti – reikia elementų iš tikriausiai visos periodinės lentelės, esančios gamtoje: torio, radžio, urano ir net plutonio.

Praėjo šiek tiek laiko. Pirmieji branduoliai susiliejo ir daugiau niekada neatsiskyrė, gamindami vandenilį ir jo izotopus, helią ir jo izotopus bei mažus, vos matomus kiekius ličio ir berilio, iš kurių pastarasis vėliau radioaktyviai suskyla į litį. Čia ir prasidėjo Visata: pagal branduolių skaičių – 92% vandenilio, 8% helio ir maždaug 0,00000001% ličio. Pagal masę - 75-76% vandenilio, 24-25% helio ir 0,00000007% ličio. Pradžioje buvo du žodžiai: vandenilis ir helis, ir tuo, galima sakyti, viskas.

Po šimtų tūkstančių metų Visata buvo pakankamai atvėsusi, kad susidarytų neutralūs atomai, o po dešimčių milijonų metų gravitacinis griūtis leido susidaryti pirmosioms žvaigždėms. Tuo pačiu metu branduolių sintezės reiškinys ne tik užpildė Visatą šviesa, bet ir leido susidaryti sunkiems elementams.

Iki pirmosios žvaigždės gimimo, praėjus maždaug 50–100 milijonų metų po Didžiojo sprogimo, dideli vandenilio kiekiai pradėjo lydytis į helią. Tačiau dar svarbiau yra tai, kad pačios masyviausios žvaigždės (8 kartus masyvesnės už mūsų Saulę) kurą sudegino labai greitai ir sudegė vos per porą metų. Kai tik tokių žvaigždžių šerdims pritrūko vandenilio, helio šerdis susitraukė ir pradėjo jungti tris atomų branduolius į anglį. Prireikė tik trilijono šių sunkiųjų žvaigždžių ankstyvojoje Visatoje (kurios per pirmuosius kelis šimtus milijonų metų suformavo daug daugiau žvaigždžių), kad būtų galima nugalėti litį.

Dabar galbūt galvojate, kad anglis šiais laikais tapo trečiuoju elementu? Galite apie tai galvoti, nes žvaigždės sintezuoja elementus sluoksniais, pavyzdžiui, svogūną. Helis sintetinamas į anglį, anglis – į deguonį (vėliau ir aukštesnėje temperatūroje), deguonis – į silicį ir sierą, o silicis – į geležį. Grandinės gale geležis negali susilieti su niekuo kitu, todėl šerdis sprogsta ir žvaigždė virsta supernova.

• lėtas neutronų gaudymas (s-procesas), nuoseklus elementų išdėstymas;
• helio branduolių susiliejimas su sunkiais elementais (sudarant neoną, magnį, argoną, kalcį ir kt.);
• greitas neutronų gaudymas (r procesas), kai susidaro elementai iki urano ir toliau.

Bet mes turėjome ne vieną žvaigždžių kartą: turėjome daug jų, o šiandien egzistuojanti karta yra sukurta pirmiausia ne ant gryno vandenilio ir helio, bet ir ant ankstesnių kartų likučių. Tai svarbu, nes be jo niekada nebūtume turėję uolėtų planetų, tik dujų milžinus, pagamintus tik iš vandenilio ir helio.

Per milijardus metų žvaigždžių formavimosi ir mirties procesas kartojosi vis labiau prisodrintais elementais. Užuot tiesiog suliejusios vandenilį su heliu, masyvios žvaigždės sulieja vandenilį C-N-O ciklas, laikui bėgant išlygindamas anglies ir deguonies (ir šiek tiek mažiau azoto) tūrį.

Be to, kai žvaigždės pereina per helio sintezę, kad susidarytų anglis, gana lengva užfiksuoti papildomą helio atomą, kad susidarytų deguonis (ir netgi pridėti dar helio prie deguonies, kad susidarytų neonas), ir net mūsų Saulė tai padarys raudonojo milžino metu. fazė.

Žvelgdami į supernovų liekanas ir planetinius ūkus – atitinkamai labai masyvių ir į saulę panašių žvaigždžių liekanas – pastebime, kad kiekvienu atveju deguonis viršija anglies masę ir kiekį. Taip pat nustatėme, kad nė vienas kitas elementas nėra toks sunkus.

Kokia mūsų laukia ateitis?

Visata keičiasi. Deguonis yra trečias pagal gausumą elementas šiuolaikinėje visatoje ir gali pakilti virš vandenilio labai, labai tolimoje ateityje. Kiekvieną kartą, kai įkvepiate oro ir jaučiatės patenkinti procesu, atminkite: žvaigždės yra vienintelė priežastis, dėl kurios egzistuoja deguonis.

MASKVA, vasario 6 d. – RIA Novosti. Rusijos ir užsienio chemikai teigia, kad egzistuoja du stabiliausi „ksenofobiškiausio“ elemento – helio – junginiai, ir eksperimentiškai patvirtino vieno iš jų – natrio helido – egzistavimą, teigiama žurnale „Nature Chemistry“ paskelbtame straipsnyje.

"Šis tyrimas parodo, kaip naudojant naujausius teorinius ir eksperimentinius metodus galima atrasti visiškai netikėtus reiškinius. Mūsų darbas dar kartą parodo, kiek mažai šiuo metu žinome apie ekstremalių sąlygų įtaką chemijai, o tokių reiškinių vaidmuo planetose vykstantiems procesams išlieka turi būti paaiškinta“, – sako Artemas Oganovas, Dolgoprudnyje įsikūrusių Skoltech ir Moscow Phystech profesorius.

Tauriųjų dujų paslaptys

Pirmapradė Visatos materija, atsiradusi keliems šimtams milijonų metų po Didžiojo sprogimo, susidarė tik iš trijų elementų – vandenilio, helio ir nedidelio kiekio ličio. Helis vis dar yra trečias labiausiai paplitęs elementas visatoje, tačiau Žemėje jo randama labai mažais kiekiais, o helio atsargos planetoje nuolat mažėja dėl to, kad jis išgaruoja į kosmosą.

Išskirtinis helio ir kitų aštuntosios periodinės lentelės grupės elementų, kuriuos mokslininkai vadina „tauriosiomis dujomis“, bruožas yra tai, kad jie yra labai nenoriai – ksenono ir kitų sunkiųjų elementų atveju – arba, iš esmės, kaip neonas, negali įsitraukti į chemines reakcijas. Yra tik kelios dešimtys ksenono ir kriptono junginių su fluoru, deguonimi ir kitais stipriais oksidatoriais, nulis neono junginių ir vienas helio junginys, eksperimentiškai atrastas 1925 m.

Šis junginys, protono ir helio derinys, nėra tikras cheminis junginys griežtąja to žodžio prasme – helis šiuo atveju nedalyvauja formuojant cheminius ryšius, nors turi įtakos vandenilio atomų elgsenai. elektronas. Kaip anksčiau manė chemikai, šios medžiagos „molekulės“ turėjo būti rastos tarpžvaigždinėje terpėje, tačiau per pastaruosius 90 metų astronomai jų neaptiko. Galima to priežastis yra ta, kad šis jonas yra labai nestabilus ir sunaikinamas susilietus su beveik bet kuria kita molekule.

Artemas Oganovas ir jo komanda domėjosi, ar helio junginiai gali egzistuoti egzotiškomis sąlygomis, apie kurias retai pagalvoja sausumos chemikai – esant itin aukštam slėgiui ir temperatūrai. Oganovas ir jo kolegos gana ilgą laiką studijavo tokią „egzotišką“ chemiją ir netgi sukūrė specialų algoritmą tokiomis sąlygomis egzistuojančių medžiagų paieškai. Su jo pagalba jie atrado, kad dujų milžinų ir kai kurių kitų planetų gelmėse gali egzistuoti egzotiška ortokarbono rūgštis, „neįmanomos“ paprastos valgomosios druskos versijos ir daugybė kitų junginių, „pažeidžiančių“ klasikinės chemijos dėsnius.

Naudodami tą pačią sistemą USPEX, Rusijos ir užsienio mokslininkai išsiaiškino, kad esant itin aukštam slėgiui, viršijančiam atmosferos slėgį 150 tūkstančių ir milijoną kartų, yra du stabilūs helio junginiai – natrio helidas ir natrio oksigelidas. Pirmasis junginys susideda iš dviejų natrio atomų ir vieno helio atomo, o antrasis - iš deguonies, helio ir dviejų natrio atomų.

Atomas ant deimantinio priekalo

Abu slėgius galima nesunkiai pasiekti naudojant modernius deimantinius priekalus, o tai padarė Oganovo kolegos, vadovaujami kitam rusui Aleksandrui Gončarovui iš Geofizikos laboratorijos Vašingtone. Jo eksperimentai parodė, kad natrio helidas susidaro esant maždaug 1,1 milijono atmosferų slėgiui ir išlieka stabilus iki mažiausiai 10 milijonų atmosferų.

Įdomu tai, kad natrio helidas savo struktūra ir savybėmis panašus į fluoro druskas, helio „kaimyną“ periodinėje lentelėje. Kiekvienas šios „druskos“ helio atomas yra apsuptas aštuonių natrio atomų, panašių į kalcio fluorido ar bet kurios kitos vandenilio fluorido rūgšties druskos struktūrą. Na2He elektronai yra taip stipriai „pritraukiami“ prie atomų, kad šis junginys, skirtingai nei natris, yra izoliatorius. Mokslininkai tokias struktūras vadina joniniais kristalais, nes elektronai juose užima neigiamo krūvio jonų vaidmenį ir vietą.

„Mūsų atrastas junginys yra gana neįprastas: nors helio atomai tiesiogiai nedalyvauja cheminiame jungime, jų buvimas iš esmės keičia cheminę sąveiką tarp natrio atomų, skatina stiprią valentinių elektronų lokalizaciją, todėl gauta medžiaga tampa izoliatoriumi“, - aiškina Xiao Dong. iš Nankan universiteto Tiandzine (Kinija).

Kitas junginys, Na2HeO, pasirodė esantis stabilus slėgio diapazone nuo 0,15 iki 1,1 milijono atmosferų. Medžiaga taip pat yra joninis kristalas ir savo struktūra panaši į Na2He, tik neigiamai įkrautų jonų vaidmenį juose atlieka ne elektronai, o deguonies atomai.

Įdomu tai, kad visi kiti šarminiai metalai, kurių reaktyvumas yra didesnis, daug mažiau nori sudaryti junginius su heliu, kai slėgis yra ne daugiau kaip 10 milijonų kartų didesnis nei atmosferos slėgis.

Oganovas ir jo kolegos tai sieja su tuo, kad orbitos, kuriomis juda elektronai kalio, rubidžio ir cezio atomuose, dėl dar neaiškių priežasčių pastebimai keičiasi didėjant slėgiui, o tai neįvyksta su natriu. Mokslininkai mano, kad kai kurių planetų, baltųjų nykštukų ir kitų žvaigždžių branduoliuose galima rasti natrio helido ir kitų panašių medžiagų.