Почему Вселенная потеряла литий? Гелий заставили создать устойчивое химическое соединение Литий и гелий как связаны
Российские и зарубежные химики заявляют о возможности существования двух стабильных соединений самого "ксенофобского" элемента - гелия, и экспериментально подтвердили существования одного из них - гелида натрия, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry.
"Данное исследование демонстрирует, как совершенно неожиданные явления могут быть обнаружены с помощью самых современных теоретических и экспериментальных методов. Наша работа в очередной раз иллюстрирует, насколько мало на сегодняшний день мы знаем о влиянии экстремальных условий на химию, и роль таких явлений на процессы внутри планет ещё предстоит объяснить", — рассказывает Артем Оганов, профессор Сколтеха и Московского Физтеха в Долгопрудном.
Тайны благородных газов
Первичная материя Вселенной, возникшая через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва, состояла всего из трех элементов - водорода, гелия и следовых количеств лития. Гелий и сегодня является третьим по распространенности элементом мироздания, однако на Земле его встречается крайне мало, и запасы гелия на планете постоянно уменьшаются из-за того, что он улетучивается в космос.
Отличительной чертой гелия и других элементов восьмой группы таблицы Менделеева, которых ученые называют "благородными газами", является то, что они крайне неохотно - в случае ксенона и других тяжелых элементов - или в принципе, как неон, не способны вступать в химические реакции. Существует лишь несколько десятков соединений ксенона и криптона с фтором, кислородом и другими сильными окислителями, ноль соединений неона и одно соединение гелия, обнаруженное экспериментальным путем в 1925 году.
Это соединение, объединение протона и гелия, не является настоящим химическим соединением в строгом смысле этого слова - гелий в данном случае не участвует в образовании химических связей, хотя и влияет на поведение атомов водорода, лишенных электрона. Как раньше предполагали химики, "молекулы" этого вещества должны были встречаться в межзвездной среде, однако за последние 90 лет астрономы так и не обнаружили их. Возможной причиной этого является то, что данный ион крайне нестабилен и разрушается при контакте с почти любой другой молекулой.
Артем Оганов и его команда задумались, могут ли соединения гелия существовать при экзотических условиях, о которых земные химики задумываются крайне редко - при сверхвысоких давлениях и температурах. Оганов и его коллеги достаточно давно изучают подобную "экзотическую" химию и даже разработали специальный алгоритм для поиска веществ, существующих в таких условиях. При его помощи они обнаружили, что в недрах газовых гигантов и некоторых других планет может существовать экзотическая ортоугольная кислота, "невозможные" версии обычной поваренной соли, и ряд других соединений, "нарушающих" законы классической химии.
Используя эту же систему, USPEX, российские и зарубежные ученые обнаружили, что при сверхвысоких давлениях, превышающих атмосферное в 150 тысяч и миллион раз, существует сразу два стабильных соединения гелия - оксигелид натрия и гелид натрия. Первое соединение состоит из двух атомов натрия и одного атома гелия, а второе - из кислорода, гелия и двух атомов натрия.
Атом на алмазной наковальне
И то, и другое давление можно легко получить при помощи современных алмазных наковален, что и сделали коллеги Оганова под руководством другого россиянина — Александра Гончарова из Геофизической лаборатории в Вашингтоне. Как показали его опыты, гелид натрия формируется при давлении примерно в 1,1 миллиона атмосфер и остается стабильным как минимум до 10 миллионов атмосфер.
Что интересно, гелид натрия похож по своей структуре и свойствам на соли фтора, "соседа" гелия по периодической таблице. Каждый атом гелия в этой "соли" окружен восьмью атомами натрия, подобно тому, как устроен фторид кальция или любая другая соль плавиковой кислоты. Электроны в Na2He "притянуты" к атомам так сильно, что это соединение, в отличие от натрия, является изолятором. Подобные структуры ученые называют ионными кристаллами, так как электроны занимают в них роль и место отрицательно заряженных ионов.
"Открытое нами соединение весьма необычно: хотя атомы гелия напрямую не участвуют в химической связи, их присутствие фундаментально меняет химические взаимодействия между атомами натрия, способствуя сильной локализации валентных электронов, что делает полученный материал изолятором", — поясняет Сяо Дун (Xiao Dong) из университета Нанканя в Тяньцзине (Китай).
Другое соединение — Na2HeO — оказалось стабильным в диапазоне давлений от 0,15 до 1,1 миллиона атмосфер. Вещество также является ионным кристаллом и имеет схожее с Na2He строение, только роль отрицательно заряженных ионов в них играют не электроны, а атомы кислорода.
Что интересно, все остальные щелочные металлы, обладающие более высокой реактивностью, гораздо менее охотно образуют соединения с гелием при давлениях, превышающих атмосферное не более чем в 10 миллионов раз.
Оганов и его коллеги связывают это с тем, что орбиты, по которым движутся электроны в атомах калия, рубидия и цезия, заметным образом меняются при повышении давления, чего с натрием, по пока не понятным причинам, не происходит. Как полагают ученые, гелид натрия и другие подобные вещества могут встречаться в ядрах некоторых планет, белых карликов и прочих звезд.
«Два самых распространенных элемента во Вселенной - водород и глупость». - Харлан Эллисон. После водорода и гелия, в периодической таблице сплошь и рядом идут сюрпризы. В числе самых удивительных фактов есть и то, что каждый материал, которого мы когда-либо касались, который видели, с которым взаимодействовали, состоит из одних и тех же двух вещей: атомных ядер, заряженных положительно, и электронов, заряженных отрицательно. То, как эти атомы взаимодействуют между собой - как они толкаются, связываются, притягиваются и отталкиваются, создавая новые стабильные молекулы, ионы, электронные энергетические состояния, - собственно, определяет живописность мира вокруг нас.
Даже если именно квантовые и электромагнитные свойства этих атомов и их составляющих позволяют нашей Вселенной , важно понимать, что начиналась вовсе не со всеми этими элементами. Совсем наоборот, начинала она практически без них.
Видите ли, чтобы достичь разнообразия структур связи и построить сложные молекулы, которые лежат в основе всего, что нам известно, нужно очень много атомов. Не в количественном выражении, а в разнообразном, то есть чтобы были атомы с разным числом протонов в их атомных ядрах: именно это делает элементы разными.
Наши тела нуждаются в таких элементах, как углерод, азот, кислород, фосфор, кальций и железо. Кора нашей Земли нуждается в таких элементах, как кремний и множество других тяжелых элементов, тогда как ядро Земли - чтобы вырабатывать тепло - нуждается в элементах, наверное, всей периодической таблицы, которые встречаются в природе: торий, радий, уран и даже плутоний.
Но вернемся к ранним этапам Вселенной - до появления человека, жизни, нашей Солнечной системы, до самых первых твердых планет и даже первых звезд - когда все, что у нас было, это горячее, ионизированное море протонов, нейтронов и электронов. Не было элементов, атомов и не было атомных ядер: Вселенная была слишком горячей для всего этого. И только когда Вселенная расширилась и остыла, появилась хоть какая-то стабильность.
Прошло некоторое время. Первые ядра слились вместе и больше не разошлись, произведя водород и его изотопы, гелий и его изотопы, а также крошечные едва различимые объемы лития и бериллия, последний впоследствии радиоактивно распался на литий. С этого началась Вселенная: по числу ядер - 92% водорода, 8% гелия и примерно 0,00000001% лития. По массе - 75-76% водорода, 24-25% гелия и 0,00000007% лития. В начале было два слова: водород и гелий, на этом, можно сказать, все.
Сотни тысяч лет спустя Вселенная остыла достаточно, чтобы смогли образоваться нейтральные атомы, а десятки миллионов лет спустя гравитационный коллапс позволил состояться первым звездам. Вместе с этим, явление ядерного синтеза не только наполнило светом Вселенную, но и позволило сформироваться тяжелым элементам.
К моменту рождения первой звезды, где-то 50-100 миллионов лет после Большого Взрыва, обильное количество водорода начало сливаться в гелий. Но что еще более важно, самые массивные звезды (в 8 раз массивнее нашего Солнца) сжигали свое топливо очень быстро, выгорая всего за пару лет. Как только в ядрах таких звезд заканчивался водород, гелиевое ядро сжималось и начинало сливать три ядра атома в углерод. Потребовался всего триллион этих тяжелых звезд в ранней Вселенной (которая образовала намного больше звезд в первые несколько сотен миллионов лет), чтобы литий был побежден.
И тут вы, наверное, думаете, что углерод стал элементом номер три в наши дни? Об этом можно подумать, поскольку звезды синтезируют элементы послойно, как луковица. Гелий синтезируется в углерод, углерод в кислород (позже и при большей температуре), кислород в кремний и серу, а кремний в железо. В конце цепочки железо не может слиться больше ни во что, поэтому ядро взрывается и звезда становится сверхновой.
Эти сверхновые, этапы, которые к ним привели, и последствия обогатили Вселенную содержимым внешних слоев звезды, водородом, гелием, углеродом, кислородом, кремнием и всеми тяжелыми элементами, которые сформировались в ходе других процессов:
- медленного захвата нейтрона (s-процесс), последовательно выстраивающего элементы;
- слияния ядер гелия с тяжелыми элементами (с образованием неона, магния, аргона, кальция и так далее);
- быстрого захвата нейтрона (r-процесс) с образованием элементов до урана и дальше.
Но у нас было не одно поколение звезд: у нас было много таких, и поколение, которое существует ныне, построено в первую очередь не на девственном водороде и гелии, но и на остатках от предыдущих поколений. Это важно, поскольку без этого у нас никогда бы не было твердых планет, лишь газовые гиганты из водорода и гелия, исключительно.
За миллиарды лет процесс образования и смерти звезд повторялся, все с более и более обогащенными элементами. Вместо того чтобы просто сливать водород в гелий, массивные звезды сливают водород в цикле C-N-O, со временем выравнивая объемы углерода и кислорода (и чуть меньше азота).
Кроме того, когда звезды проходят через гелиевый синтез с образованием углерода, довольно просто захватить лишний атом гелия с образованием кислорода (и даже добавить еще один гелий к кислороду с образованием неона), и даже наше Солнце будет делать это во время фазы красного гиганта.
Но есть один убийственный шаг в звездных кузницах, который исключает углерод из космического уравнения: когда звезда становится достаточно массивной, чтобы инициировать слияние углерода - такова необходимость для образования сверхновой II типа - процесс, который превращает газ в кислород, идет до отказа, создавая намного больше кислорода, чем углерода, к моменту, когда звезда готова к взрыву.
Когда мы смотрим на останки сверхновой и планетарные туманности - остатки очень массивных звезд и солнцеподобных звезд соответственно - мы находим, что кислород превосходит углерод массово и количественно в каждом из случаев. Мы также обнаружили, что ни один из других элементов тяжелее и близко не стоит.
Итак, водород #1, гелий #2 — этих элементов во Вселенной очень много. Но из оставшихся элементов кислород держит уверенный #3, за ним углерод #4, неон #5, азот #6, магний #7, кремний #8, железо #9 и среда завершает десятку.
Что будущее нам готовит?
Спустя достаточно длительный период времени, который в тысячи (или миллионы) раз превышает текущий возраст Вселенной, звезды будут продолжать формироваться либо извергая топливо в межгалактическое пространство, либо сжигая его по мере возможности. В процессе этого гелий может наконец обойти водород по распространенности, ну или водород останется на первой строчке, если будет достаточно изолирован от реакций синтеза. На длинной дистанции вещество, которое не будет выброшено из нашей галактики, может сливаться снова и снова, так что углерод и кислород обойдут даже гелий. Возможно, элементы #3 и #4 сместят первые два.
Вселенная меняется. Кислород - третий по распространенности элемент в современной Вселенной, и в очень, очень далеком будущем, возможно, поднимется выше водорода. Каждый раз, когда вы вдыхаете воздух и чувствуете удовлетворение от этого процесса, помните: звезды - единственная причина существования кислорода.
Литий -Гелий. Мир ядра химического элемента.
Картинка 7 из презентации «Мир химии» к урокам химии на тему «Химия»
Размеры: 960 х 720 пикселей, формат: jpg. Чтобы бесплатно скачать картинку для урока химии, щёлкните по изображению правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как...». Для показа картинок на уроке Вы также можете бесплатно скачать презентацию «Мир химии.ppt» целиком со всеми картинками в zip-архиве. Размер архива - 13988 КБ.
Скачать презентациюХимия
«История химии» - Агрикола горное дело. (Изменяется состав, т.К. Получаются новые вещества – коррозия). Цель: знакомство с физическими и химическими явлениями, историей развития химии. Периодический закон химических элементов 1869 год. Закрепление. Реформаторы. М 6. Образование тумана. Химические. В 2. Гниение растительных остатков.
«Мир химии» - Н. Аналитическая химия. Превращение веществ, причем таких, в результате которых появляются новые вещества. Выполнил учитель Химии МОУ СОШ №24 (ст. Э. Мир соединений. Сера. Крестик и нолик в). Водород. Крестик и нолик а). Мы живем в мире веществ, построенных из атомов. В мире органики. Суворосвская) Гащенко Николай Григорьевич.
«Нанотехнологии» - Наномедицина. Фуллерены. Введение. Создание «бездефектных» высокопрочных материалов, материалов с высокой проводимостью; III. На данный момент получены у–транзистор на базе нанотрубки и нанодиод. Нанотрубки. Модель высокоплотной памяти разработана Ch. Алмазная память для компьютеров. Часть III. Характерный размер атома составляет несколько десятых нанометра.
«Аналитическая химия» - План доклада. Широкова В.И., Колотов В.П., Аленина М.В. Задачи гармонизации терминологии аналитической химии. Iupac, гост, iso. Принципы гармонизации терминологии. (Федерация Европейских химических обществ). Аналитическая химия (определение). В.И.Вернадского РАН.
«Развитие химии» - Выполнила: Уралбаева К.А. Астана, І группа. Эити Негиси. Акира Судзуки. Английские химики А. Тодд и Д. Браун обосновали базовый принцип строения РНК. Вант-Гофф Якоб Хендрик (30.8.1852 - 1.3.1911). Ричард Хек. Родился 13 августа 1918 года в Англии. Фредерик Сэнгер. Самостоятельной дисциплиной, возникшей на границе физики и химии, стала коллоидная химия.
«Предмет химии» - Твердое. Превращения веществ. Самым знаменитым алхимиком Европы был Альберт фон Больштат (Великий). Вещества, образованные атомами одного химического элемента, называются простыми. Химия изучает. Выберите признаки для следующих веществ: МЕДЬ, ЖЕЛЕЗО, ГЛИНА. Поддается обработке руками. Бесформенное. Вещество – молекула - атом.
Всего в теме 31 презентация
Трехмерная структура соединения Na2He
Международная группа ученых из МФТИ, Сколтеха, Нанкинского университета и Университета Стоуни Брук под руководством Артема Оганова предсказала и смогла получить в лабораторных условиях стабильное соединение натрия с гелием - Na 2 He. Подобные соединения могут возникать в недрах Земли и других планет, в условиях очень высокого давления и температуры. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry , кратко о статье сообщает также пресс-релиз Университета Юты. Следует отметить, что предварительная версия работы была выложена авторами в виде препринта в 2013 году.
Гелий, как и неон, является наиболее химически инертным элементом в таблице Менделеева и практически не вступает в реакции из-за заполненной внешней электронной оболочки, высокого потенциала ионизации и нулевого сродства к электрону . Уже давно ученые пытаются найти его устойчивые соединения, например с фтором (HHeF и (HeO)(CsF)), хлором (HeCl) или литием (LiHe), однако такие вещества существуют ограниченное время. Стабильные соединения гелия существуют (это NeHe 2 и He@H 2 O), однако гелий там практически не влияет на электронную структуру и связан с другими атомами силами Ван-дер-Ваальса . Однако ситуация может измениться, если попытаться работать при высоких давлениях - в таких условиях благородные газы становятся более активными и образуют соединения, например оксиды с магнием (Mg-NG, где NG - Xe, Kr или Ar). Поэтому было решено поискать такие соединения с гелием.
Исследователи провели крупномасштабный поиск возможных стабильных соединений гелия с различными элементами (H, O, F, Na, K, Mg, Li, Rb, Cs и так далее) при помощи кода USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), разработанного Огановым и его коллегами в 2004 году. Выяснилось, что только натрий образует устойчивое соединение с He при давлениях, доступных для лабораторных экспериментов. Тогда было решено поискать стабильное соединение системы Na-He с минимальной энтальпией образования (т.е. наиболее устойчивые) при разных давлениях. Расчеты показывают, что это будет соединение Na 2 He. Реакция образования этого вещества возможна при давлениях выше 160 ГПа, при этом она будет экзотермической, т.е. с выделением тепла. При давлениях ниже 50 ГПа соединение будет нестабильным.
Термодинамические характеристики системы Na-He при разных давлениях
Для проверки теоретических расчетов было решено попробовать получить предсказанное соединение при помощи алмазных наковален , нагреваемых лазерным излучением. В них загружались тонкие пластины из натрия, а все остальное пространство заполнялось газообразным гелием. Во время экспериментов ученые снимали Рамановские спектры , кроме того состояние системы контролировалось визуально и при помощи метода дифракции синхротронного рентгеновского излучения. Полученные данные затем сравнивались с предсказанными на основе расчетов.
Кристаллическая структура Na2He при 300 ГПа (a,b) и распределение электронной плотности в нем (c) нового родственника графена, две формы оксида алюминия, существующих при высоких давлениях, а также впервые «склеивание» слоев в сверхпроводнике, которое, как выяснилось, сопровождается потерей его сверхпроводящих свойств.
Александр Войтюк
МОСКВА, 6 фев - РИА Новости. Российские и зарубежные химики заявляют о возможности существования двух стабильных соединений самого "ксенофобского" элемента - гелия, и экспериментально подтвердили существования одного из них - гелида натрия, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry.
"Данное исследование демонстрирует, как совершенно неожиданные явления могут быть обнаружены с помощью самых современных теоретических и экспериментальных методов. Наша работа в очередной раз иллюстрирует, насколько мало на сегодняшний день мы знаем о влиянии экстремальных условий на химию, и роль таких явлений на процессы внутри планет ещё предстоит объяснить", — рассказывает Артем Оганов, профессор Сколтеха и Московского Физтеха в Долгопрудном.
Тайны благородных газов
Первичная материя Вселенной, возникшая через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва, состояла всего из трех элементов - водорода, гелия и следовых количеств лития. Гелий и сегодня является третьим по распространенности элементом мироздания, однако на Земле его встречается крайне мало, и запасы гелия на планете постоянно уменьшаются из-за того, что он улетучивается в космос.
Отличительной чертой гелия и других элементов восьмой группы таблицы Менделеева, которых ученые называют "благородными газами", является то, что они крайне неохотно - в случае ксенона и других тяжелых элементов - или в принципе, как неон, не способны вступать в химические реакции. Существует лишь несколько десятков соединений ксенона и криптона с фтором, кислородом и другими сильными окислителями, ноль соединений неона и одно соединение гелия, обнаруженное экспериментальным путем в 1925 году.
Это соединение, объединение протона и гелия, не является настоящим химическим соединением в строгом смысле этого слова - гелий в данном случае не участвует в образовании химических связей, хотя и влияет на поведение атомов водорода, лишенных электрона. Как раньше предполагали химики, "молекулы" этого вещества должны были встречаться в межзвездной среде, однако за последние 90 лет астрономы так и не обнаружили их. Возможной причиной этого является то, что данный ион крайне нестабилен и разрушается при контакте с почти любой другой молекулой.
Артем Оганов и его команда задумались, могут ли соединения гелия существовать при экзотических условиях, о которых земные химики задумываются крайне редко - при сверхвысоких давлениях и температурах. Оганов и его коллеги достаточно давно изучают подобную "экзотическую" химию и даже разработали специальный алгоритм для поиска веществ, существующих в таких условиях. При его помощи они обнаружили, что в недрах газовых гигантов и некоторых других планет может существовать экзотическая ортоугольная кислота, "невозможные" версии обычной поваренной соли, и ряд других соединений, "нарушающих" законы классической химии.
Используя эту же систему, USPEX, российские и зарубежные ученые обнаружили, что при сверхвысоких давлениях, превышающих атмосферное в 150 тысяч и миллион раз, существует сразу два стабильных соединения гелия - гелид натрия и оксигелид натрия. Первое соединение состоит из двух атомов натрия и одного атома гелия, а второе - из кислорода, гелия и двух атомов натрия.
Сверхвысокое давление заставило соль "нарушить" правила химии Американо-российские и европейские химики превратили обычную поваренную соль в химически "невозможное" соединение, молекулы которого организованы в экзотические структуры из разного числа атомов натрия и хлора.Атом на алмазной наковальне
И то, и другое давление можно легко получить при помощи современных алмазных наковален, что и сделали коллеги Оганова под руководством другого россиянина — Александра Гончарова из Геофизической лаборатории в Вашингтоне. Как показали его опыты, гелид натрия формируется при давлении примерно в 1,1 миллиона атмосфер и остается стабильным как минимум до 10 миллионов атмосфер.
Что интересно, гелид натрия похож по своей структуре и свойствам на соли фтора, "соседа" гелия по периодической таблице. Каждый атом гелия в этой "соли" окружен восьмью атомами натрия, подобно тому, как устроен фторид кальция или любая другая соль плавиковой кислоты. Электроны в Na2He "притянуты" к атомам так сильно, что это соединение, в отличие от натрия, является изолятором. Подобные структуры ученые называют ионными кристаллами, так как электроны занимают в них роль и место отрицательно заряженных ионов.
"Открытое нами соединение весьма необычно: хотя атомы гелия напрямую не участвуют в химической связи, их присутствие фундаментально меняет химические взаимодействия между атомами натрия, способствуя сильной локализации валентных электронов, что делает полученный материал изолятором", — поясняет Сяо Дун (Xiao Dong) из университета Нанканя в Тяньцзине (Китай).
Другое соединение — Na2HeO — оказалось стабильным в диапазоне давлений от 0,15 до 1,1 миллиона атмосфер. Вещество также является ионным кристаллом и имеет схожее с Na2He строение, только роль отрицательно заряженных ионов в них играют не электроны, а атомы кислорода.
Что интересно, все остальные щелочные металлы, обладающие более высокой реактивностью, гораздо менее охотно образуют соединения с гелием при давлениях, превышающих атмосферное не более чем в 10 миллионов раз.
Оганов и его коллеги связывают это с тем, что орбиты, по которым движутся электроны в атомах калия, рубидия и цезия, заметным образом меняются при повышении давления, чего с натрием, по пока не понятным причинам, не происходит. Как полагают ученые, гелид натрия и другие подобные вещества могут встречаться в ядрах некоторых планет, белых карликов и прочих звезд.
Могильники Чернобыля: радиоактивные отходы зоны отчуждения Где находится техника чернобыля