Читать книгу "Элементы: замечательный сон профессора Менделеева - Аркадий Курамшин"

История сохранила примеры, когда близкое знакомство с радиоцезием закончилось более плачевно. Печально известен произошедший в 1987 году Гоянский инцидент — радиоактивное загрязнение, произошедшее после кражи около 93 грамм радиоактивного 137CsCl из заброшенной больницы в Гоянии (Бразилия). Голубое свечение радиоактивного порошка (хлорид цезия был смешан с люминофором) привлекло внимание людей, к которым он попал в руки. Дело было накануне бразильского Дня Мёртвых и, готовясь к карнавалу, жители Гоянии начали натирать им кожу, используя как грим для вечеринок, дарили его как подарки, в результате чего радиация унесла жизни четырех людей (в том числе и шестилетней девочки), а еще около двух сотен стали жертвами радиоактивного поражения разной степени тяжести.

Многие участники химических олимпиад знают, что существует два металла золотисто-жёлтого цвета — собственно золото и цезий. Теоретически различить их достаточно легко — цезий (теоретически) можно расплавить теплом руки, его температура плавления всего лишь 28.4 °C. Правда, если мы хотим выступать с трюком «рука, которая плавит металл» нужно запаять цезий в стекло или прозрачный полимер — прикосновение незащищённой рукой к металлическому цезию может вызывать интенсивную реакцию щелочного металла с влагой, неизбежно находящейся на наших руках, да и с кислородом воздуха цезий будет реагировать не менее охотно.

Название цезия происходит от древнегреческого слова, означающего «небесно-голубой» — именно этот в этот цвет окрашена характерная спектральная линии цезия. Этот элемент был открыт в 1860 году Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгоффом, которые за год до этого собрали первый спектроскоп, ставший инструментом для проведения анализов нового типа. Упрощая, принцип спектроскопии, можно объяснить следующим образом — энергетическое возбуждение атомов, которого можно достигнуть, например, помещая вещество в пламя, заставляет электроны временно заселять более высокие энергетические уровни. Затем они возвращаются на нижние уровни, высвобождая при этом энергию в форме электромагнитного излучения (света). Спектрометр (с помощью призм или дифракционных элементов) расщепляет этот свет на отдельные линии, в результате чего получается спектр — набор тонких цветных линий. Каждый элемент даёт свой уникальный набор таких цветных линий (можно представить этот набор как своеобразный штрих-код). При анализе вод Бад-Дюркхаймского минерального источника Бунзен и Кирхгоф обнаружили «радужный штрих-код», который не соответствовал ни одному из известных в те времена элементов и отличался интенсивной сине-голубой линией. Именно благодаря цвету, который появляется в спектре благодаря оного из электронных переходов цезий и получил своё название. Цезий стал первым химическим элементом, обнаруженным с помощью спектроскопии. В чистом виде цезий впервые в 1882 году выделил шведский химик Карл Сеттербергом. Для этого он использовал электролиз расплава смеси цианида цезия (CsCN) и бария.

Цезий применяется используется в атомных часах — наиболее точных устройствах для определения времени, да и сама секунда с 1967 года определяется через свойства цезия: «Секунда — время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133» (Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Росстандарт.). Точность атомных цезиевых часов — одна секунда за 300 000 лет. Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в базовых станциях мобильной связи, международных и национальных бюро стандартов и службах точного времени.

Как и все щелочные металлы цезий легко окисляется — на его внешнем электронном уровне находится всего один электрон, который легко отрывается действием любого окислителя — кислорода, кислоты или воды. Внешний электрон щелочного металла удерживается у ядра за счет электростатических взаимодействий (ядро атома заряжено положительно, электрон — отрицательно), чем больше радиус атома, тем менее прочная сила связывает электрон с ядром. Электрон цезия держится у ядра слабее всего, и, таким образом, цезий является самым активным щелочным металлом. Конечно в школах и даже институтах говорят, что у франция — щелочного металла, располагающегося в Периодической системе под цезием, расстояние между ядром и внешним электроном ещё больше, и самым активным щелочным металлом (да и металлом вообще) должен быть он. Но это не так, пальма первенства принадлежит всё же цезию.

Дело не в том, что, говоря об активности металлов, мы оцениваем свойства только тех элементов, которые встречаются в земной коре. Цезий действительно активнее франция. Чтобы понять этот феномен, нужно вспомнить о «Гнусной теории Эйнштейна» — франций относится к тем химическим элементам, на свойства которых оказывают значительное влияние так называемые релятивистские эффекты — эффекты, являющиеся следствием специальной теории относительности. Причина появления этих эффектов в том, что обладающее большим положительным зарядом ядро тяжёлых атомов разгоняет электроны до скоростей, составляющих 1–5 % скорости света. В результате этого релятивистская масса электронов увеличивается, и, если моделировать параметры атома франция с учетом эффектов теории относительности, получается, что атомный радиус франция меньше радиуса цезия, следовательно — отобрать электрон у цезия проще, чем у франция. Активность франция и цезия сравнивали не только с помощью теоретических расчетов, но и экспериментально. Потенциал ионизации (энергия, необходимая для отрыва электрона от внешнего уровня) у цезия, франция и рубидия составляют 3.89, 4.07 и 4.18 эВ соответственно. Может это и к лучшему, что самым активным металлом является цезий, а не тот элемент, общее содержание которого в земной коре оценивается в 350 граммов.

56. Барий

Возможно, у кого-то барий может вызывать не самые приятные ассоциации — «бариевая кашка» или «бариевая клизма» представляют собой в равной степени неприятные процедуры для диагностики состояния желудочно-кишечного тракта. Компонентом обоих «коктейлей» является твердый нерастворимый сульфат бария (строго говоря, «кашка» отличается от «клизмы» только способом введения в организм).

Барий непрозрачен для рентгеновского излучения, поэтому его можно будет легко наблюдать при диагностике с помощью рентгеновского аппарата. Непрозрачность сульфата бария в рентгеновских лучах объясняет помимо прочего и то, что, что эту соль бария добавляют в АБС-пластик, из которого делают кирпичики для конструкторов LEGO — бывает, что у родителей появляется подозрение, что чадо заглотило какую-то детальку в процессе игры, и для опровержения или (увы) подтверждения этого подозрения необходимо, чтобы какие-то компоненты кирпичика отражали излучение рентгеновского аппарата. Сам АБС-пластик в рентгеновских лучах прозрачен.

К счастью для пациентов и производителей LEGO сульфат бария не растворяется ни в воде, ни в кислотах умеренной концентрации (к последним можно отнести содержимое нашего желудочного сока). К счастью, потому что ион бария чрезвычайно токсичен — он нарушает согласованную работу нервной системы, в результате чего у человека развивается аритмия, лихорадка и слабость, которая потенциально может при вести даже к смерти от паралича органов дыхания или остановки сердца. Для смертельного отравления барием среднестатистическому человеку потребуется около грамма бария. Какое-то время назад карбонат бария был компонентом крысиной отравы — не растворяясь в воде, как и сульфат, карбонат мог длительное время лежать с приманками, однако в желудке крысы бариевая соль слабой угольной кислоты взаимодействовала с соляной кислотой желудочного сока, и довитый ион бария попадал в организм грызуна.