Таблица Менделеева. Элементы уже близко - Аркадий Искандерович Курамшин

Моя учёба в университете пришлась на расформирование в нём военной кафедры (я один из последних её выпускников). Временами вместо занятий по тактике мы выезжали на базу, где помогали готовить «военку» к закрытию – сортировали имущество, идущее на возврат в армию и на списание (списанный общевойсковой защитный комплект, например, долго мне служил во время походов по лесу, а сорбенты из списанных противогазных фильтров я применял для очистки растворителей во время своей аспирантуры, пришедшейся на глобальное падение финансирования научных исследований).

Да, офицерам позволяли брать часть списываемого имущества для личных нужд, но всё же это не был аттракцион неслыханной щедрости – при выходе с базы нам вежливо командовали приготовить карманы и личные вещи к осмотру. Эксцессов не было никогда за исключением одного случая, когда один из моих коллег набил полные карманы кусочками золотистого металла, запаянного внутрь стеклянных капсул. Обнаруживший это майор долго и неприлично смеялся, повторяя, что, если бы не было проверки, парные мужские органы несуна «сварились бы вкрутую», и даже не стал составлять рапорт. Незадачливый студент-курсант рассовал по карманам образцы радиоцезия – радиоактивного нуклида цезия, который применялся (а может, и применяется сейчас) для проверки и калибровки войскового малогабаритного рентгенометра-дозиметра ДП-5в.

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 граммов 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 в этот цвет окрашена характерная спектральная линии цезия. Этот элемент был открыт в 1860 году Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом, 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 штрихкод», который не соответствовал ни одному из известных в те времена элементов и отличался интенсивной сине-голубой линией. Именно из-за цвета, который появляется в спектре благодаря одному 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 Сеттерберг. Для этого он использовал электролиз расплава смеси цианида цезия (CsCN) и бария.

Цезий 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»[2] – 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