Главная Биология Почему Вселенная потеряла литий? Гелий заставили создать устойчивое химическое соединение Литий и гелий как связаны

Почему Вселенная потеряла литий? Гелий заставили создать устойчивое химическое соединение Литий и гелий как связаны

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

Литий

Гелий

Гелий занимает вторую позицию в таблице Менделеева после водорода. Атомная масса гелия - 4,0026. Он представляет собой инертный газ без цвета. Его плотность - 0,178 грамм на литр. Сжижается гелий труднее всех известных газов лишь при температуре минус 268,93 градуса Цельсия и практически не отвердевает. Охлажденный до минус 270,98 градуса Цельсия гелий приобретает сверхтекучесть. Образуется гелий чаще всего в результате распада крупных атомов. На Земле он распространен в малых количествах, но на Солнце, где идет интенсивный распад атомов, гелия очень много. Все эти данные являются как бы паспортными и хорошо известны.

Займемся топологий гелия, и для начала определим его размеры. Учитывая, что атомная масса гелия в четыре раза больше водородной, а атом водорода в 1840 раз тяжелее электрона, получим массу атома гелия равной 7360 электронам; следовательно, общее количество эфирных шариков в атоме гелия составляет приблизительно 22 000; длина шнура атома и диаметр исходного тора соответственно равны 7360 и 2300 эфирным шарикам. Чтобы зримо представить соотношение толщины шнура исходного тора атома гелия и его диаметра, изобразим на листе бумаги ручкой окружность диаметром в 370 миллиметров, и пусть след от ручки имеет ширину в одну треть миллиметра; полученная окружность даст нам указанное представление. Один электрон (строенные эфирные шарики) будет занимать на нарисованной окружности всего лишь 0,15 миллиметров.

Скручивание исходного тора в законченную форму атома гелия происходит следующим образом. Сначала окружность сплющивается в овал, потом - в форму гантели, далее - в восьмерку, а затем петли восьмерки развертываются так, что возникает перехлест. Между прочим, перехлест у более крупных атомов не образуется, и объясняется это тем, что длина шнура у атома гелия пока еще не большая, и при стремлении средних точек шнура сблизиться - края (петли) вынуждены развернуться. Далее края изогнутся и начнут сближаться.

До этого момента топология атома гелия, как мы видим, схожа с топологией атома изотопа водорода - трития, но если у трития не хватало сил на замыкание краев (не хватало длины его шнура), то у гелия петли надвигаются одна на другую и таким образом замыкаются. Для того, чтобы убедиться в надежности соединения петель, достаточно проследить за расположением их присасывающих сторон: у внутренней петли она будет снаружи, а у внешней - изнутри.

Топологию атомов очень удобно представлять в виде проволочных моделей; для этого достаточно использовать в меру упругую, но достаточно пластичную проволоку. Атом водорода изобразится в виде обычного кольца. Увеличим длину куска проволоки в четыре раза (во столько раз атом гелия тяжелее атома водорода), свернем его в кольцо, спаяем концы и продемонстрируем процесс скручивания атома гелия. При скручивании мы должны постоянно помнить, что радиусы гибки не должны быть меньше радиуса кольца, представляющего собой атом водорода; это как бы условие, задаваемое упругостью шнура - торовых оболочек. (В натуре, напомним, минимальный радиус равнялся 285 эфирным шарикам.) Принятый минимальный радиус гибки определяет топологию всех атомов; и еще: следствием одинаковых радиусов гибки будут одинаковые размеры присасывающих петель (своего рода - их стандартизация), и поэтому-то они образуют устойчивую валентность, выраженную в способности соединять различные атомы между собой. Если бы петли имели различные размеры, их соединение было бы проблематичным.

Доводя процесс скручивания проволочной модели атома гелия до конца, мы обнаружим, что соединенные внахлест петли надвинуты одна на другую не до упора. Точнее говоря, они предпочли бы закрутиться еще дальше, но не пускает упругость шнура, то есть условие минимального радиуса. И при всякой попытке петель продвинуться навстречу еще дальше упругость шнура отбросит их назад; отскочив, они снова устремятся вперед, и снова упругость отбросит их назад; при этом атом гелия будет то съеживаться, то распускаться, то есть возникает пульсация. Пульсация, в свою очередь, породит стоячее тепловое поле вокруг атома и сделает его пушистым; так мы пришли к выводу, что гелий - газ.

На основании топологии можно объяснить и прочие физические и химические характеристики гелия. О его инертности, например, говорит то, что его атомов нет ни открытых присасывающих петель, ни присасывающих желобов: он не способен вообще соединяться с другими атомами, поэтому - всегда атомарен и практически не отвердевает. Цвета гелий не имеет потому, что у его атомов нет прямых “звучащих” участков шнуров; а сверхтекучесть у него возникает вследствие всякого отсутствия вязкости (слипание атомов), округлой формы и малого размера атома.

Как и у водорода, у гелия атомы не имеют одного размера: одни из них больше, другие - меньше, а в общем они занимают почти все весовое пространство от водорода (трития) до следующего за гелием лития; менее прочные изотопы гелия, конечно, давно уже распались, но и существующих в настоящее время можно насчитать не одну сотню.

В таблице Менделеева гелий лучше располагать не в конце первого периода - в одном ряду с водородом, а в начале второго периода перед литием, потому что его атом, как и атомы всего этого периода, представляет собой одиночную конструкцию (одиночный клубочек), в то время как атом следующего инертного газа неона выглядит уже в виде спаренной конструкции, похожей по этому признаку на атомы третьего периода.

Литий занимает третий номер в таблице Менделеева; его атомная масса равна 6,94; он относится к щелочным металлам. Литий - самый легкий из всех металлов: его плотность составляет 0,53 грамма в сантиметре кубическом. Он серебристо-белого цвета, с ярким металлическим блеском. Литий мягок и легко режется ножом. На воздухе он быстро тускнеет, соединяясь с кислородом. Температура плавления лития равна 180,5 градуса Цельсия. Известны изотопы лития с атомными весами 6 и 7. Первый изотоп используется для получения тяжелого изотопа водорода - трития; другой изотоп лития используется в качестве теплоносителя в котлах ядерных реакторов. Таковы общие физико-химические данные лития.

Топологию атомов лития начнем опять же с уяснения размеров исходного тора. Теперь мы знаем, что у каждого химического элемента, и в том числе у лития, существует большое количество изотопов, измеряемое сотнями и тысячами; поэтому размеры атомов будем указывать от … и до …. Но что значат эти пределы? Можно ли их определить точно? Или они указываются приблизительно? И каково количественное соотношение изотопов? Сразу скажем: однозначных ответов на поставленные вопросы нет; всякий раз необходимо внедряться в конкретную топологию атомов. Разберемся в этих вопросах на примере лития.

Как мы заметили, переход от протия к гелию с точки зрения топологии происходит планомерно: с увеличением размера исходного тора –постепенно изменяется окончательная конфигурация атомов. Но физические и, особенно, химические свойства атомов при переходе от протия к гелию изменяются более чем существенно, скорее - радикально: от всеобщей притягательности протия до полной инертности гелия. Где, на каком изотопе это произошло?

Подобные скачки свойств связаны с размерными скачками изотопов. Большой атом водорода (тритий), приобретающий очертания атома гелия, оказывается радиоактивным, то есть непрочным. Вызвано это тем, что его загнутые края петель не достигают друг друга, и можно представить, как они трепыхаются, устремленные навстречу. Они напоминают руки двух людей в расходящихся лодках, бессильно стремящихся дотянуться и сцепиться. Внешнее эфирное давление будет давить на консоли трепыхающихся петель атомов так сильно, что это до добра не доведет; получив со стороны даже небольшое дополнительное сдавливание, консоли отломятся - не выдержат крутого изгиба шнура, и атом разрушится; так оно и происходит. Поэтому можно сказать, что среди изотопов на границах существующих физико-химических переходов наблюдаются провалы: там изотопов просто нет.

Подобный провал существует между гелием и литием: если атом - уже не гелий, но еще не литий, то он непрочен, и его уже давно в земных условиях нет. Поэтому изотоп лития с атомным весом, равным шести, то есть с длиной шнура тора в 11 эфирных шариков, встречается очень редко и, как было сказано, используется для получения трития: его легко разорвать, укоротить и получить в результате изотоп водорода.

Таким образом, мы, вроде, определились с наименьшими размерами атома лития: это - 11 связанных электронов. Что же касается его верхнего предела, то тут возникает некоторая загвоздка: дело в том, что, согласно топологии, атом лития не имеет особых отличий от атома следующего за ним бериллия (мы в этом скоро убедимся), и между изотопами того и другого элементов нет никакого провала. Поэтому пока не станем указывать верхний предел размера атома лития.

Проследим за формообразованием атома лития. Исходная окружность только что возникшего микрозавихрения с указанными выше размерами будет стремится превратится в овал; только у лития овал - очень длинный: приблизительно в 8 раз длиннее диаметра концевого закругления (будущей петли); это - очень вытянутый овал. Начало свертывания атома лития похоже на такое же начало у больших атомов водорода и у гелия, но дальше происходит отклонение: восьмерка с перехлестом, то есть с разворотом петель, не возникает; дальнейшее сближение длинных сторон (шнуров) овала до полного их соприкосновения сопровождается одновременным загибом концов навстречу друг другу.

Почему не образуется восьмерка с перехлестом? Прежде всего потому, что овал очень длинный, и даже его полный прогиб в гантелю до соприкосновения шнуров в середине не вызывает их сильных изгибов; поэтому потенция разворота крайних петель - очень слабая. А во-вторых, развороту в какой-то степени противодействует начавшийся загиб концов овала. Другими словами: активный момент сил, стремящийся развернуть концевые петли, очень мал, а момент сопротивления развороту - большой.

Для наглядности воспользуемся резиновыми кольцами, например теми, что применяются в уплотнениях машин. Если пережимать кольцо малого диаметра, то оно обязательно свернется в восьмерку с перехлестом; а если выбрать кольцо большого диаметра, то его пережим до полного соприкосновения шнуров разворот концевых петель не вызывает. К слову: эти резиновые кольца также очень удобны для моделирования топологии атомов; если, конечно, имеется их широкий набор.

Загиб концов овала вызывается, как мы уже знаем, возмущением эфира между ними: чуть-чуть стронувшись с идеально прямого положения, они уже вынуждены будут сближаться до полного соприкосновения. Значит, в разные стороны концы отгибаться не могут. Но с направлением загиба у них есть выбор: либо так, что присасывающие стороны концевых петель окажутся снаружи, либо - изнутри. Первый вариант более вероятен, та как момент от сил отталкивания вращающихся оболочек шнура от прилегающего эфира на внешних точках петель будет больше, чем на внутренних.

Сближающиеся боковые стороны овала очень скоро войду в соприкосновение, смычка шнуров распространится от центра к концам и остановится только тогда, когда на концах окончательно сформируются петли с минимально допустимыми радиусами изгиба. Одновременно происходящие загибы и взаимное сближение этих петель приводят к столкновению их вершин, после чего в дело вступают их присасывающие стороны: петли, присасываясь, ныряют вглубь; и завершается процесс формирования конфигурации атома лития тем, что сместившиеся петли упираются своими вершинами в спаренные шнуры ровно по центру конструкции. Отдаленно такая конфигурация атома напоминает сердечко или, точнее, яблоко.

Напрашивается сам собой первый вывод: атом лития начинается тогда, когда вершины спарившихся первичных петель, нырнувшие внутрь конструкции, дотянутся до шнуров середины атома. А до того был еще не литий, а какой-то иной элемент, которого теперь уже нет в природе; его атом был крайне неустойчив, очень сильно пульсировал, был поэтому пушистым и относился к газам. Но и атом самого начального изотопа лития (мы его определили состоящим из 11 000 связанных электронов) тоже получается не очень прочным: радиусы изгиба его петель - предельные, то есть упругие шнуры изогнуты до предела, и при всяком внешнем воздействии они готовы лопнуть. У более крупных атомов это слабое место устраняется.

Представляя по результатам топологии образ атома лития, можно оценить то, что получилось. Две первичные петли замкнулись и нейтрализовались, также нейтрализованными оказались вторичные петли по обе стороны от первичных. Спаренные шнуры создали желоб, и этот желоб идет по всему контуру атома - он как бы замкнут в кольцо, - и его присасывающая сторона оказалась снаружи. Отсюда следует, что атомы лития могут соединяться и между собой и с другими атомами только с помощью своих присасывающих желобов; петлевое молекулярное соединение атом лития образовать не может.

Сильно выпуклые присасывающие желоба атомов лития могут соединяться между собой только на коротких участках (теоретически - в точках), и поэтому пространственная конструкция из соединившихся между собой атомов лития получается очень рыхлой и разреженной; отсюда - малая плотность лития: он почти в два раза легче воды.

Литий - металл; его металлические свойства вытекают из особенностей форм его атомов. Можно сказать по-другому: те особые свойства лития, которые обусловлены особыми формами его атомов и которые делают его непохожим физически и химически на другие вещества, названы металлическими; рассмотрим часть из них:

электропроводность: она возникает по той причине, что атомы имеют кольцеобразную форму из спаренных шнуров, создающих присасывающие желоба, открытые наружу, охватывающие атомы по контуру и замыкающиеся сами на себе; электроны, прилипшие к этим желобам, могут беспрепятственно перемещаться по ним (напомним еще раз; что трудности возникают при отрыве электронов от атомов); а так как атомы соединяются между собой теми же желобами, то у электронов есть возможность перескакивать с атома на атом, то есть смещаться по телу;

теплопроводность: упруго-изогнутые шнуры атома образуют чрезвычайно жесткую упругую конструкцию, которая практически не поглощает низкочастотные крупноамплитудные (тепловые) удары соседних атомов, а передает их дальше; и если бы не было в толще атомов всевозможных нарушений в их контактах (дислокаций), то тепловая волна распространялась бы с огромной скоростью;
блеск: высокочастотные малоамплитудные удары световых волн эфира легко отражаются от напряженно изогнутых шнуров атомов и уходят прочь, подчиняясь законам волнового отражения; у атома лития нет прямых участков шнуров, поэтому у него нет собственного “звучания”, то есть нет собственного цвета - литий поэтому серебристо-белый с сильным блеском на срезах;
пластичность: округлые атомы лития могут соединяться между собой как угодно; они могут, не разрываясь, обкатываться друг по другу; и это выражается в том, что тело из лития может менять свою форму, не теряя своей целостности, то есть быть пластичным (мягким); в результате литий режется без особого труда ножом.

На примере отмеченных физических особенностей лития можно уточнить само понятие металла: металл есть вещество, состоящее из атомов с круто изогнутыми шнурами, образующими контурные присасывающие желоба, открытые наружу; атомы ярко выраженных (щелочных) металлов не имеют открытых присасывающих петель и прямых или плавно изогнутых участков шнуров . Поэтому литий в нормальных условиях не может соединиться с водородом, так как атом водорода представляет собой петлю. Их соединение может быть только гипотетическим: при глубоком холоде, когда водород отвердевает, его молекулы могут соединяться с атомами лития; но по всему видно, что их сплав был бы таким же мягким, как сам литий.

Заодно уточним понятие пластичности: пластичность металлов определяется тем, что их округлые атомы могут обкатываться друг по другу, изменяя взаиморасположение, но не теряя контакты между собой .

Бериллий занимает четвертую позицию в таблице Менделеева. Его атомная масса равна 9,012. Он представляет собой светло-серый металл с плотностью 1,848 грамма в кубическом сантиметре и температурой плавления 1284 градуса Цельсия; он - твердый и в то же время хрупкий. Конструкционные материалы на основе бериллия обладают одновременно и легкостью, и прочностью, и стойкостью к высоким температурам. Сплавы бериллия, будучи в 1,5 раза легче алюминия, тем не менее прочнее многих специальных сталей. Свою прочность они сохраняют до температуры 700 … 800 градусов Цельсия. Бериллий стоек к радиации.

По своим физическим свойствам, как видно, бериллий сильно отличается от лития, но по топологии атомов они почти не различимы; отличие лишь в том, что атом бериллия как бы “сшит с запасом”: если атом лития напоминает тесный костюм школьника на взрослом человеке, то атом бериллия, наоборот, - просторный костюм взрослого на фигуре ребенка. Избыточная длинна шнура атома бериллия при одинаковой конфигурации его с литием образует более пологие очертания с радиусами изгибов, превышающими минимальные критические. Такой “запас” кривизны у атомов бериллия позволяет их деформировать вплоть до выхода на предел изгибов шнуров.

Топологическое сходство атомов лития и бериллия говорит о том, что четкой границы между ними нет; и невозможно сказать, какой наибольший размер имеет атом лития и какой наименьший - атом бериллия. Ориентируясь только на табличный атомный вес (а он усредняет все значения), можно считать, что шнур среднего по размерам атома бериллия состоит приблизительно из 16 500 связанных электронов. Верхний предел размеров атомов изотопов бериллия упирается в минимальный размер атома следующего элемента - бора, конфигурация которого резко отличается.

Запас по радиусам кривизны шнуров атомов бериллия сказывается в первую очередь на соединении их между собой в момент затвердевания металла: они примыкают друг к другу уже не короткими (точечными) участками как у лития, а длинными границами; контуры атомов как бы подстраиваются друг под друга, деформируясь и прилегая друг к другу максимально возможным образом; поэтому такие соединения очень прочны. Свою упрочняющую способность атомы бериллия проявляют и в соединениях с атомами других металлов, то есть в сплавах, в которых бериллий используется в качестве присадок к тяжелым металлам: заполняя пустоты и присасываясь своими гибкими желобами к атомам основного металла, атомы бериллия скрепляют их как клей, делая сплав очень прочным. Отсюда следует, что прочность металлов определяется длинами слипшихся участков присасывающих желобов атомов : чем длиннее эти участки, тем прочнее металл. Разрушение металлов происходит всегда по поверхности с самыми короткими слипшимися участками.

Запас по радиусам изгиба шнуров атомов бериллия позволяет им деформироваться без изменения соединений между собой; в результате деформируется все тело; это уже - упругая деформация. Упругая она потому, что в любом исходном состоянии атомы имеют наименее напряженные формы, а при деформации вынуждены терпеть некоторые “неудобства”; и стоит только деформирующей силе исчезнуть, как атомы возвратятся в свои исходные менее напряженные состояния. Следовательно, упругость металла определяется избытком длин шнуров его атомов, позволяющим их деформировать без изменения участков взаимного соединения .

С упругостью бериллия связана его жаропрочность; она выражается в том, что тепловые движения атомов могут происходить в пределах упругих деформаций, не вызывающих изменение соединений атомов между собой; поэтому в общемжаропрочность металла определяется , как и упругость, избытком длин шнуров его атомов . Снижение прочности металла при высоком нагреве объясняется тем, что тепловые движения его атомов уменьшают участки соединений их между собой; а когда эти участки полностью исчезают, происходит плавление металла.

Упругости бериллия сопутствует его хрупкость. Хрупкость может рассматриваться в общем случае как антипод пластичности: если пластичность выражается в возможности атомов изменять свои взаиморасположения с сохранением соединяющих участков, то хрупкость выражается, в первую очередь, в том, что у атомов такой возможности нет. Всякое взаимное смещение атомов хрупкого материала может происходить только при полном разрыве их связей; у этих атомов нет иных вариантов соединений. У упругих материалов (у металлов) хрупкость характеризуется еще и тем, что она - как бы прыгающая: возникшая в результате чрезмерных напряжений трещина с быстротой молнии распространяется по всему сечению тела. Для сравнения: кирпич под ударами молотка может крошиться (это - тоже хрупкость), но не раскалываться. “Прыгающая” хрупкость бериллия объясняется тем, что его атомы соединены между собой не лучшим образом, и все они напряжены; и стоит только нарушиться одной какой-то связи, как граничные атомы стремительно начнут “выпрямляться” в ущерб соединений со своими соседями; связи последних также начнут разрушаться; и этот процесс примет цепной характер. Следовательно,хрупкость упругих металлов зависит от степени деформаций соединенных между собой атомов и от отсутствия возможности изменения связей между ними .

Радиационная стойкость бериллия объясняется все тем же запасом в размерах его атомов: шнур атома бериллия имеет возможность спружинить под жестким радиационным ударом, не доходя до своей критической кривизны, и тем самым сохраниться неразрушенным.

И тем же можно объяснить светло-серый цвет бериллия и отсутствие у него яркого металлического блеска, такого, например, как у лития: световые волны эфира, падая на нежесткие шнуры поверхностных атомов бериллия, поглощаются ими, и только часть из волн отражается и создает рассеянный свет.

Плотность бериллия почти в четыре раза больше чем у лития только потому, что плотность шнуров его атомов выше: они соединяются между собой не в точках, а длинными участками. В то же время в сплошной своей массе бериллий - достаточно рыхлое вещество: он всего лишь в два раза плотнее воды.

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.

Возможно, вы слышали фразу «вы созданы из звездной пыли» — и это правда. Многие из частиц, составляющих ваше тело, и мир вокруг вас, были образованы внутри звезд миллиарды лет назад. Но есть некоторые материалы, которые сформировались в самом начале, после рождения Вселенной.

Некоторые астрономы считают, что они появились всего через несколько минут после Большого Взрыва. Самые распространенные элементы во Вселенной это водород и гелий, и очень малое количество такого химического вещества как литий.

Астрономы могут с небольшой точностью определить, сколько лития было в молодой Вселенной. Для этого нужно исследовать самые старые звезды. Но полученные результаты не совпадают – в старых звездах оказалось в 3 раза меньше лития, чем ожидалось обнаружить! Причина этой загадки пока неизвестна.

Давайте разберемся подробнее …

Строго говоря, при нынешнем уровне наших наблюдений ошибки быть не должно: лития очень мало. Ситуация однозначно намекает на какую-то новую физику, неизвестный нам процесс, имевший место сразу после Большого взрыва .

Самое свежее исследование на эту тему затронуло наименее изменившиеся после Большого взрыва регионы - атмосферы старых звёзд, находящихся на периферии Млечного Пути. Поскольку они изолированы от ядра, где литий может нарабатываться, вероятность позднего загрязнения, влияющего на результаты, должна быть крайне мала. В их атмосферах лития-7 обнаружено всего около трети от уровня, предсказанного моделированием. Причины? Одно из предложенных объяснений: он утонул. Литий из атмосферы звёзд просто начал тонуть в веществе светил, постепенно добираясь до их недр. Поэтому его и не видно в их атмосферах.

Кристофер Хок из Университета Нотр-Дам (Индиана, США) вместе с коллегами взялся проверить результаты на основе данных поМалому Магелланову Облаку , галактике-спутнику Млечного Пути. А чтобы избавить данные от эффекта «погружения лития» и прочих влияний местных звёздных процессов, исследователи проанализировали содержимое межзвёздного газа в этой карликовой галактике, предполагая, что уж он-то должен гордиться своим литием: ему здесь просто не в чем тонуть.

Используя наблюдения Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории, астрономы обнаружили там именно столько лития, сколько предсказывала модель Большого взрыва, о чём было поведано в журнале Nature . Но и это, увы, не слишком помогло в решении вопроса. Дело в том, что литий постоянно образуется во Вселенной в ходе естественных процессов, а сверхновые взрывами равномерно разносят его по Метагалактике, подобно всем остальным наработанным в недрах элементам. Новые результаты, по словам Кристофера Хока, лишь усугубили литиевую загадку: «Говорить о решении этой проблемы можно только в том случае, если со времён Большого взрыва никаких изменений в количестве имеющегося лития не происходило». И то только в масштабах Малого Магелланова Облака!

Самое главное: очень трудно представить себе, что за 12–13 млрд лет термоядерного синтеза, создавшего те самые тяжёлые элементы, которые делают возможной жизнь на Земле, литий почему-то не вырабатывался. По крайней мере наши сегодняшние представления о термоядерном нуклеосинтезе не позволяют выдвинуть такую гипотезу.

Хуже того, новая работа Мигеля Пато из Мюнхенского технического университета (Германия) и Фабио Йокко (Fabio Iocco) изСтокгольмского университета (Швеция) показала, что не только сверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактик, но и самые обычные (и более многочисленные) ЧД звёздного происхождения должны генерировать литий в своих аккреционных дисках , причём весьма интенсивно.

Теперь же получается, что практически каждый микроквазар (попросту система ЧД - аккреционный диск) должен создавать литий. А ведь теоретически их должно быть намного больше, чем СМЧД, отмечает Мигель Пато.

Словом, ясности в этом вопросе пока нет. Кристофер Хок, к примеру, предполагает, что сразу после Большого взрыва во Вселенной могли идти какие-то экзотические с физической точки зрения реакции, в которых участвовали частицы тёмной материи, и они подавляли образование лития. Это могло бы объяснить то, что в Малом Магеллановом Облаке лития оказалось больше, чем в нашей Галактике: карликовые галактики, к которым относится ММО, должны были менее активно притягивать тёмную материю в ранней Вселенной. А значит, и эти гипотетические реакции меньше влияли на концентрацию лития в них. Проверить эту идею г-н Хок намерен при помощи более углубленного изучения Малого Магелланова Облака…

До сих пор мы могли искать литий только в ближайших к нам звездах нашей Галактики. И вот группа астрономов смогла определить уровень содержания лития в звездном скоплении за пределами нашей Галактики.

У звёздного скопления Мессье 54 есть секрет — оно не принадлежит Млечному Пути, и является частью спутниковой галактики – карликовой эллиптической галактики в Стрельце. Такое расположение скопления позволило ученым проверить так же ли мало содержания лития в звездах, находящихся за пределами Млечного Пути.

В окрестностях Млечного Пути находится более 150 шарообразных звездных скоплений, которые состоят из сотен тысяч древних звезд. Одно из таких скоплений, наряду с другими в созвездии Стрельца, было обнаружено в конце 18 века французским ученым «охотником за кометами» Чарльзом Мессье, и носит его имя Мессье 54.

Более двух столетий ученые ошибочно полагали, что М54 является таким же скоплением, как все остальные во Млечном Пути, но в 1994 году было обнаружено, что это звездное скопление относится к другой галактике – карликовой эллиптической галактике в Стрельце. Было также установлено, что этот объект находится на расстоянии 90 000 световых лет от Земли, а это более чем в три раза больше, чем расстояние между Солнцем и центром галактики.

В данный момент астрономы наблюдают за М54 с помощью телескопа VLT Survey, пытаясь решить один из самых загадочных вопросов современной астрономии, касающийся наличия лития в звездах.

На этом снимке Вы видите не только сам кластер, но и очень густой передний план, состоящий из звёзд Млечного Пути. Фото ESO.

Раньше астрономы имели возможность определить содержание лития только в звездах Млечного Пути. Однако, теперь исследовательская команда под руководством Алессио Муккиарелли (Alessio Mucciarelli) из Болонского Университета использовали VLT Survey для того, чтобы измерить содержание лития во внегалактическом звёздном скоплении М54. Исследование показало, что количество лития в старых звёздах М54 не отличается от звёзд Млечного Пути. Поэтому, куда бы не пропал литий, Млечный Путь здесь совершенно не причем.

металлический литий

Литий — самый лёгкий металл, в 5 раз легче алюминия. Свое название литий получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» (греч. λίθος - камень). Название было предложено Берцелиусом. Это один из трёх элементов (помимо водорода и гелия), который образовался в эпоху первичного нуклеосинтеза после Большого Взрыва, ещё до рождения звёзд. С тех пор его концентрация во Вселенной практически не меняется.

Литий по праву можно назвать важнейшим элементом современной цивилизации и развития технологий. В прошлом и позапрошлом веках критериями развития индустриальной и экономической мощи государств были показатели производства важнейших кислот и металлов, воды и энергоносителей. В 21-м веке литий прочно и надолго вошел в список таких показателей. Сегодня литий имеет исключительно важное экономическое и стратегическое значение в развитых индустриальных странах.

Изучая новую звезду Nova Delphini 2013 (V339 Del), астрономы смогли обнаружить химического предшественника лития, произведя таким образом первые прямые наблюдения процессов образования третьего по счету элемента периодической таблицы - которые прежде предполагались лишь теоретически.

«До сих пор у ученых не было прямых подтверждений наблюдениями образования лития в новых звездах, однако после проведения нашего исследования, мы можем утверждать, что такие процессы имеют место», - сказал главный автор новой научной работы Акито Таитсу из Национальной обсерватории Японии.

Взрывы новых звезд происходят, когда в тесной двойной звездной системе материя перетекает от одной из составляющих её звезд на поверхность звезды-компаньона - белого карлика. Неконтролируемая термоядерная реакция вызывает резкий всплеск светимости звезды, что, в свою очередь, приводит к образованию более тяжелых, чем водород и гелий, элементов, присутствующих в значительных количествах внутри большинства звезд Вселенной.

Одним из химических элементов, образующихся в результате такого взрыва, является широко распространенный изотоп лития Li-7. В то время как большая часть тяжелых химических элементов формируется в ядрах звезд и во взрывах сверхновых, Li-7 является слишком хрупким элементом, не выдерживающим высокие температуры, поддерживающиеся в большинстве звездных ядер.

Некоторая часть лития, присутствующая во Вселенной, образовалась в результате Большого Взрыва. Кроме того, некоторые количества лития могли образоваться в результате взаимодействия космических лучей с звездами и межзвездным веществом. Однако эти процессы не объясняют слишком больших количеств лития, присутствующих во Вселенной на сегодняшний день.

В 1950-е гг. ученые предположили, что литий во Вселенной может образовываться из изотопа бериллия Be-7, который формируется у поверхности звезд и может быть перенесен в космическое пространство, где снижается воздействие высоких температур на материал, и вновь образующийся литий остается в стабильном состоянии. Однако до сегодняшнего дня наблюдения с Земли лития, образовавшегося близ поверхности звезды, представляли собой довольно трудную задачу.

Таитсу и его команда использовали для своих наблюдений телескоп Subaru, расположенный на Гаваях. За время наблюдений команда отчетливо зафиксировала, как нуклид Be-7, имеющий период полураспада 53 дня, превращался в Li-7.

Молекула литий-гелия LiHe - одна из самых хрупких известных молекул. Её размер более, чем в десять раз, превосходит размер молекул воды.

Как известно, нейтральные атомы и молекулы могут образовывать друг с другом более менее устойчивые связи тремя способами. Во-первых, при помощи ковалентных связей, когда два атома разделяют одну или несколько общих электронных пар. Ковалентные связи - самые сильные из трёх. Характерная энергия их разрыва равна обычно нескольким электрон-вольтам.

Заметно слабее ковалентных водородные связи. Это притяжение, возникающее между связанным атомом водородом и электроотрицательным атомом другой молекулы (обычно таким атомом является кислород или азот, реже фтор). Несмотря на то, что энергия водородных связей в сотни раз меньше, чем ковалентных, именно они во многом определяют физические свойства воды, а также играют важнейшую роль в органическом мире.

И наконец, самым слабым является так называемое ван-дер-ваальсовое взаимодействие. Иногда его также называют дисперсным. Оно возникает в результате диполь-дипольного взаимодействия двух атомов или молекул. При этом диполи могут как быть изначально свойственны молекулам (например, дипольный момент есть у воды), так и индуцироваться в результате взаимодействия.

Характерная энергия ван-дер-ваальсовой связи - единицы кельвин (электрон-вольт, упоминавшийся выше, соответствует приблизительно 10 000 кельвин). Самой слабой из ван-дер-ваальсовых является связь между двумя индуцированными диполями. Если имеется два неполярных атома, то в результате теплового движения у каждого из них имеется некий осциллирующий случайным образом дипольный момент (электронная оболочка как бы немного дрожит относительно ядра). Эти моменты, взаимодействуя друг с другом, в результате преимущественно имеют такие ориентации, чтобы два атома начали притягиваться.

Наиболее инертным из всех атомов является гелий. Он не вступает в ковалентные связи ни с одним другим атомом. При этом и величина его поляризуемости очень мала, то есть и дисперсные связи ему образовывать сложно. Имеется, однако, одно важное обстоятельство. Электроны в атоме гелия настолько сильно связаны ядром, что его можно, не опасаясь возникновения отталкивающих сил, подносить очень близко к другим атомам - вплоть до расстояния порядка радиуса этого атома. Дисперсные же силы растут с уменьшением дистанции между атомами очень быстро - обратно пропорционально шестой степени расстояния!

Отсюда родилась идея: если сблизить два атома гелия друг с другом, то между ними всё-таки возникнет хрупкая ван-дер-ваальсова связь. Это, действительно удалось реализовать в середине 1990-х, хотя и потребовало значительных усилий. Энергия такой связи составляет всего 1 мК, и молекула He₂ была зарегистрирована в незначительных количествах в сверхохлаждённых струях гелия.

При этом свойства молекулы He₂ во многом уникальны и необычны. Так, например, её размер составляет... около 5 нм! Для сравнения, размер молекулы воды - около 0,1 нм. При этом минимум потенциальной энергии молекулы гелия приходится на значительно меньшее расстояние - около 0,2 нм - однако, большую часть времени - около 80% - атомы гелия в молекуле проводят в режиме туннелирования, то есть в области, где в рамках классической механики они находиться не могли бы.

Приблизительно так выглядит молекула гелия.
Среднее расстояние между атомами намного превосходит их размеры.
© Institut für Kernphysik, J. W. Goethe Universität

Следующий по размерам после гелия атом - это литий, поэтому после получения молекулы гелия, естественным стало изучение возможности зафиксировать связь между гелием и литием. В 2013 году, наконец, учёным удалось сделать и это. У молекулы литий-гелия LiHe энергия связи повыше, чем у гелий-гелия - 34±36 мК, а расстояние между атомами наоборот поменьше - около 2,9 нм. Однако и в этой молекуле атомы большую часть времени находятся в классически запрещённых состояниях под энергетическим барьером. Интересно, что потенциальная яма для молекулы LiHe настолько мала, что она может существовать только в одном колебательном энергетическом состоянии, являющемся правда расщеплённым из-за спина атома ⁷Li дублетом. Её константа вращения же настолько велика (около 40 мК), что возбуждение вращательного спектра приводит к разрушению молекулы.

Потенциалы обсуждаемых молекул (сплошные кривые) и квадрат модуля волновых функций атомов в них (штриховые кривые). Отмечены также точки PM - минимум потенциала, OTP - внешняя точка разворота для низшего энергетического уровня, MIS - средневзвешенное расстояние между атомами.
© Brett Esry/Kansas State University

Пока что полученные результаты интересны исключительно с фундаментальной точки зрения. Однако уже вызывают интерес для смежных областей науки. Так, гелиевые кластеры из многих частиц могут стать инструментом изучения эффектов запаздывания в вакууме Казимира. Изучение гелий-гелиевого взаимодействия важно и для квантовой химии, которая могла бы на этой системе тестировать свои модели. И, конечно, не вызывает сомнений, что учёные придумают и другие интересные и важные приложения для таких экстравагантных объектов как молекулы He₂ и LiHe.