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

Значение газового освещения улиц сейчас забыто, но бесспорно это было не меньшее достижение, чем впоследствии изобретение электрических ламп — газовые лампы впервые в истории человечества позволили сделать так, что сначала крупные, а потом и другие улицы после заката не погружались во тьму (раньше, если кому-то нужно было выйти за ворота в темную время суток, ему приходилось брать с собой персональный источник света — факел или фонарь). Первоначально в калильных сетках газовых фонарей применялись и другие оксиды, но, помимо проблем с температурой плавления, они давали свет не очень высокого качества, и в 1891 году австрийский химик Ауэр фон Велсбах, испытав возможность применения в газовом фонаре оксидов магния, лантана и иттрия, остановился на оксиде тория.

Кто-то может подумать, что это было сомнительное инженерное решение — что-то типа отравленной туники Несса, и люди, жившие на освещенных ториевыми газовыми горелками улицах (а это были представители высшего и среднего класса) годами подвергались радиационному воздействию от распадающихся атомов тория и заболевали. К счастью, это было не так — торий распадается, испуская α-частицы (ядра атомов 4Не), пробег которых невелик, и которые могут быть легко остановлены стеклянным колпаком фонаря. Более того — оксид тория до сих пор применяется для изготовления горелок походных плиток, работающих от небольших газовых баллонов. Такие горелки абсолютно безопасны, если, конечно их не облизывать или не размалывать в порошок, а потом вдыхать его. Правда, если вам все-таки не по себе от перспективы находиться рядом с диоксидом тория, покупая туристическое снаряжение, обращайте внимание на маркировку «thorium free».

Итак, оксид тория безопасен, если его не есть, однако какое-то время люди принимали его вовнутрь — оксид тория использовался как рентгеновский контраст торотраст для рентгеноскопии в 1930–40 годах — этому применению способствовала исключительная непрозрачность диоксида тория для рентгеновского излучения. Без сомнения, рентгенограммы, полученные с помощью диоксида тория, спасли немало жизней, а применение радиоактивного контраста рассматривалось как «приемлемый риск». К счастью, в конце 1940-х годов были разработаны менее опасные для здоровья контрасты для рентгеновской диагностики.

В наши дни торий применяется главным образом в энергетике. Содержание тория в земной в три раза больше содержания урана, при этом месторождения урана и месторождения тория далеко не всегда сопутствуют друг другу, и государства, обладающие запасами тория, не обязательно обладают запасами урана и наоборот. Самый распространённый в земной коре нуклид тория — 232Th не способен делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным горючим. Однако при захвате теплового нейтрона 232Th превращается в 233U, который способен к делению подобно 233U и 239Pu и применяется в качестве топлива ректоров на быстрых нейтронах.

91. Протактиний

В 1871 году Дмитрий Иванович Менделеев среди ряда других сделал следующее предсказание: «Между торием и ураном можно ожидать элемента с атомной около 235. Формула высшего оксида этого элемента X2O5, как у ниобия с танталом, которым он должен быть аналогичен».

Определенная в наше время атомная масса предсказанного элемента — протактиния близка к 231. Хотя предсказание массы можно посчитать относительно точным, оно всё-таки не сбылось — в предсказаниях атомной массы 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 открытия стоящего между ними протактиния пришлось ждать до XX 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 некоторыми аспектами 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 грамм 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.