Смерть и бессмертие в мире элементов

Пришло время, когда химики сделались своеобразными археологами. Они научились измерять возраст различных минералов земной коры, подобно тому как археолог определяет, сколько веков назад изготовлено какое‑нибудь бронзовое украшение или глиняный сосуд.

Оказалось, что возраст иных минералов превышает четыре с половиной миллиарда лет. Они так же стары, как и сама планета Земля. Но ведь минералы – это химические соединения. Они состоят из элементов. Стало быть, элементы практически бессмертны…

Не кажется ли вам нелепой сама постановка вопроса: может ли элемент умереть? Ведь смерть – это печальный удел живых существ…

Нет, этот вопрос не бессмыслен, как может показаться на первый взгляд.

Есть такое физическое явление: радиоактивность. Оно состоит в том, что элементы (а точнее, ядра их атомов) могут самопроизвольно разрушаться. Одни ядра исторгают из своих недр электроны. Другие – испускают так называемые альфа‑частицы (ядра гелия). Третьи – разваливаются на две примерно равные половинки: этот процесс именуют спонтанным делением.

Все ли элементы радиоактивны? Нет, не все. Главным образом те, что стоят в конце периодической системы, начиная с полония.

Распадаясь, радиоактивный элемент не исчезает вовсе. Он превращается в другой. Эти цепочки радиоактивных превращений могут быть очень длинными.

Например, из тория и урана в конце концов образуется устойчивый свинец. А на этом пути рождается и погибает добрый десяток радиоактивных элементов.

Радиоактивные элементы живучи в разной степени. Одни, прежде чем исчезнуть полностью, существуют десятки миллиардов лет. Жизнь других настолько коротка, что измеряется минутами и даже секундами. Ученые оценивают живучесть радиоактивных элементов с помощью специальной величины: периода полураспада. В этот промежуток времени взятое количество радиоактивного элемента распадается ровно наполовину.

Периоды полураспада урана и тория равны нескольким миллиардам лет.

Совсем иначе обстоит дело с их предшественниками по таблице Менделеева – протактинием, актинием, радием и францием, радоном, астатом и полонием. Их жизнь куда короче: во всяком случае, не больше 100 тысяч лет. А раз так, то возникает неожиданное недоразумение.

Почему, собственно, эти короткоживущие элементы существуют на Земле? Ведь нашей планете что‑то около 5 миллиардов лет… За этот трудно вообразимый срок должны были сотни раз исчезнуть и радий и актиний и иже с ними.

Однако живут. И прячутся в земных минералах испокон веку… Словно природа имеет в своем распоряжении «живую» воду, не дающую им погибать.

Дело в другом: просто‑напросто они непрерывно рождаются вновь, потому что их питает вечный источник. Земные запасы урана и тория. Ведь пока эти «патриархи» среди радиоактивных элементов совершают долгий и сложный путь превращений в устойчивый свинец, они походя превращаются в промежуточные элементы. И получается, что среди химических элементов мы можем выделить две большие группы – первичных и вторичных.

К первичным относятся все нерадиоактивные элементы и уран с торием, у которых периоды полураспада превышают возраст Земли. Они были свидетелями образования солнечной системы.

Остальные – вторичные.

И все‑таки наступит момент, когда периодическая система недосчитается нескольких элементов. Уран и торий – вечный источник вторичных элементов. Однако относительно вечный. Когда‑то с лика Земли исчезнут и они. Исчезнут полностью эдак через сотню миллиардов лет. А вместе с ними уйдут в небытие и продукты их радиоактивных превращений.

Один, два, много…

Примерно такими были счетные способности первобытного человека. Его математический аппарат насчитывал всего две количественные величины – «много – мало».

Почти таким же критерием пользовались люди лет сто назад, когда пытались оценивать, сколько каких элементов припасено нашей планетой в ее «закромах».

Широко используются в практике, скажем, свинец, цинк, серебро, стало быть, их много. Значит, это элементы распространенные. А редкие земли (лантаноиды) потому и редкие, что на Земле почти не встречаются. Их мало.

Вот как легко было рассуждать какое‑то столетие назад.

Право же, первые ревизоры кладовых химических элементов занимались работой не очень обременительной. Вспоминая об их «деятельности», наши современники весело улыбаются.

Да и как же не улыбнуться, если теперь они точно могут ответить на вопрос: сколько чего? Если они даже могут сказать, сколько атомов каждого элемента содержится в земной коре. Они наверняка знают, что пресловутых редких земель в минералах планеты лишь немногим меньше, чем свинца, цинка и серебра, вместе взятых.

Скрупулезная «бухгалтерия» запасов химических элементов началась с научного подвига. Его совершил американский ученый Фрэнк Кларк. Он проделал более пяти с половиной тысяч химических анализов. Самых различных минералов – из тропиков и из тундры. Самых разнообразных вод – из глухого таежного озера и Тихого океана. Исследовал образцы всевозможных почв с разных концов света.

Двадцать лет продолжался этот титанический труд. Благодаря Кларку и другим ученым человечество получило вполне четкое представление, каких элементов на Земле больше всего.

Так родилась наука геохимия. Она поведала людям такие удивительные истории, какие раньше не могли и присниться.

Вот что оказалось: первые 26 представителей менделеевской таблицы – от водорода до железа – практически образуют всю земную кору. Они составляют 99,7 процента от ее веса. Только «жалких» три десятых процента приходится на долю остальных 67 элементов, встречающихся в природе.

Чего же больше всего на Земле?

Не железа, не меди, не олова, хотя человек пользовался ими тысячелетиями и запасы этих металлов представлялись огромными, неисчерпаемыми. Больше всего – кислорода. Если на одну чашу воображаемых весов положить земные ресурсы кислорода, а на другую – всех прочих элементов, чаши почти уравновесятся. Почти наполовину земная кора состоит из кислорода. Где его только нет: в водах, в атмосфере, в огромном количестве горных пород, в любом животном и растении – всюду кислород играет весьма видную роль.

Четвертая часть земной «тверди» – кремний. Основа основ неорганической природы.

Дальше элементы Земли по своим запасам располагаются в таком порядке: алюминий – 7,4 процента; железо – 4,2; кальций – 3,3; натрий – 2,4; калий и магний – 2,35; водород – 1,0; титан – 0,6.

Вот первая десятка химических элементов в нашей планете.

А чего на Земле всего меньше?

Очень мало золота, платины и ее спутников. Поэтому они и ценятся так дорого.

Но любопытный парадокс: золото было первым из металлов, который стал известен человеку. Платину открыли, когда и слыхом не слыхивали ни о кислороде, ни о кремнии, ни об алюминии.

У благородных металлов есть уникальная особенность. Они встречаются в природе не в виде соединений, а в самородном состоянии. Не надо затрачивать никаких усилий на выплавку. Потому‑то их нашли на Земле, именно нашли в столь давние времена.

Однако приз за редкость все‑таки принадлежит не им. Этой печальной награды удостаиваются вторичные радиоактивные элементы.

Мы вправе назвать их элементами‑призраками.

И геохимики говорят: полония на Земле всего‑навсего 9600 тонн, радона и того меньше – 260 тонн, актиния – 26 тысяч тонн. Радий и протактиний настоящие гиганты среди призраков: их в общей сложности около 100 миллионов тонн, но в сравнении с золотом и платиной это ничтожно малое количество. А вот астат и франций неудобно причислить даже к призракам, они нечто еще менее материальное. Земные запасы астата и франция измеряются (смешно сказать!)… миллиграммами.

Имя самого редкого элемента на Земле – астат (69 миллиграммов на всю толщу земной коры). Комментарии, как говорится, излишни.

Первые трансурановые элементы – нептуний и плутоний – тоже, оказывается, существуют на Земле. Они рождаются в природе благодаря очень редким ядерным реакциям урана со свободными нейтронами. Эти призраки «тянут» на сотни и тысячи тонн. А вот о прометии и технеции, в появлении которых также повинен уран (ему свойствен процесс самопроизвольного деления, когда ядра распадаются на два примерно равных осколка), о них прямо‑таки нечего сказать. Ученые нашли еле заметные следы технеция, а прометий все еще пытаются отыскать в урановых минералах. Еще не изобрели таких весов, на которых можно было бы взвесить земные «запасы» прометия и технеция.