Неорганічна хімія

ХІМІЧНІ   ЕЛЕМЕНТИ.

Народження.

Почну з одного кумедного випадку. На Першому каналі Всеукраїнського радіо завжди було достатньо неординарних, авторських, пізнавальних програм. Якось на одну таку радіопрограму, в прямий ефір, зателефонував слухач і схвильовано розповів, що нещодавно мав зустріч з прибульцями. Дозвонювач, начебто, поцікавився у них, як влаштований наш Всесвіт. І «вищі істоти» йому розповіли, що все, що ми, люди, навколо себе бачимо, з чого побудовані наші тіла, то насправді є попіл, непотріб, відпрацьований матеріал.

Якось так, не гарно виходить, що ми наче ті жуки, що живуть на відмерлих рештках, якщо розглядати світобудову в цілому…

Напівжартома, сам собою напрошується висновок: якщо якісь «зелені чоловічки» зустрінуться з людиною, яка не знає таблиці множення, то, звичайно, запропонують свій власний варіант такої таблиці. І не більше.

Отож, звідки все взялося ? Звідки ці атоми, речовини, речі ? Як утворився Всесвіт ? До істини ми лише прагнемо приблизитись. Наші вчені, також, на кордоні Швейцарії і Франції, працюючи на Великому адронному колайдері, намагаються підтвердити свої здогади про подію, що сталася 13,8 млрд років тому. Ймовірно – в  «нашій» Метагалактиці.

 

Вже майже 100 років цю визначну подію називають Великий вибух (англ. Big Bang).

  

На сьогодні найбільш вірогідною вважається модель, за якою хімічні елементи з’явилися раніше, ніж самі зорі. Начебто, з самого початку, існували нейтрони в надзвичайно стиснутому стані, стиснуті  наскільки, що не могли, навіть, «подумати» про розпад.

Якимось чином (ініціатор невідомий) нейтрони почали перетворюватись на протони, ці протони почали об’єднуватись по кілька, притягувати електрони, одночасно приєднувалися ще нейтрони. А нестійкі атоми (ядра атомів) розпадалися до простіших:
 
Процес гігантський, який навіть уявити важко,  називають первинним нуклеосинтезом    

Та саме цікаве, що перетворення нейтронів, що відбувалися відразу після Великого вибуху,  не могли тривати більше 15 хвилин ! Весь видимий нами Всесвіт створено за 15 хвилин. Це добре, та виникла проблема: розрахунки показували основним результатом цього синтезу були лише ізотопи Гідрогену і Гелію. Де ж 13 млрд років тому взялися  важчі елементи ?                   

Технецій Tс – елемент, який добули штучно ще в 1937 році. Атоми цього елемента мають період піврозпаду 2 млн років, щонайбільше. Аж раптом, в середині минулого століття їх спектр виявили в сонячному випромінюванні. Зорі живуть мільярди років. На радіоактивний розпад високі температури ніяк не впливають. Технецій мав розпастись уже давно. Відповідь була очевидною: зорі синтезують важчі хімічні елементи.

Зоря Сонце. Температура 20 000 000 К. Зображено на малюнку замкнутий цикл однієї з відомих ядерно – хімічних реакцій. Показано зміщення елементів в Періодичній системі, що при цьому відбувається: утворення Гелію (α-чвстинки) із Гідрогену (4 – х протонів), за участі ядер Карбону, Нітрогену й Оксигену. Вивільняється сонячна енергія.

Але, навіть, наймасивніші зорі «дотягують» процес синтезу ядер від Гелію, максимум до Бісмуту. 

Головне «пальне» всіх зірок – Гідроген, але за загальним хімічним складом, відомі нам зорі, помітно різняться. Відомі «магнієві», «кремнієві», «залізні», «стронцієві», «карбонові» зорі, і, навіть, «літієві» і «фосфорні»…

 Схема еволюції зірок. Розглянемо, яким чином відбувається утворення хімічних елементів до Феруму – Бісмуту.  Космічна газово-пилова хмара (в центрі - на малюнку нижче) дією гравітаційних сил ущільнюєтья, в ній зростає тиск і температура речовини.  Частина гравітаційної енергії, що звільняється при стисненні, йде на нагрів, і утворюється так звана протозірка. Вона продовжує поволі стискатися і розігріватися доти, коли в її центральній області температура досягне декількох мільйонів градусів і почнеться термоядерна реакція синтезу Гелію із Гідрогену (на схемі – за годинниковою стрілкою):

Початково синтез супроводжується утворенням елементів до Магнію, а вже потім, коли надлишок Гелію в ядрі зірки стає суттєвим, відбувається стискання речовини і включається наступна ланка перетворень, де Гелій «згорає» до Карбону. Ці реакції дають в кільканадцять разів більше енергії, розміри зорі різко збільшуються, відбувається її перебудова. При досить великій початковій масі зорі, ще далі, можливе «займання» Карбону і Оксигену, діаметр зорі ще зростає, але вона швидко починає втрачати масу, віддаючи речовину і енергію в космічний простір. Білий карлик, що в кінці утворюється, поступово вихолоняє.

За всіма розрахунками, подальше утворення ядер ще більш важчих елементів можливе лише при спалахах Наднових. Вибуховий нуклеосинтез – це справжня космічна катастрофа, яку земляни спостерігають раз на сто років, у вигляді спалахів в різних частинах космосу. В міжзоряний простір,  разом із неймовірною кількістю енергії викидаються важкі елементи - «будівельні матеріали» для таких планет, як наша Земля.

На малюнку показані кінцеві стадії еволюції зір різної маси. Маси вказано в масах Сонця (1Мо). 

Спалахи Наднових, крім того, мають результатом утворення нейтронних зірок (2Мо), або ж нейтронних зір і чорних дір (10Мо).

 

 

І, нарешті, утворення хімічних елементів відбувається завдяки космічному випромінюванню. Тільки в цьому випадку синтезуються не найважчі атоми, а навпаки, космічні промені (це, в основному, швидкі протони)  розбивають ядра Карбону, Нітрогену, Оксигену до Тритію, Літію, Берилію чи Бору.

Нижче наведено відсотковий склад матерії  Всесвіту:

  Всі зображення взято з відкритих джерел. 

Поширеність хімічних елементів у Всесвіті.

  По масі :

1.      76,5 %  - Гідроген,

2.      21,5 %  - Гелій,

3.      0,3 %   -  Неон,

4.      0,82 % -  Оксиген,

5.      0,34 % -  Карбон,

6.      0,12 % -  Нітроген,

7.      0,12 % -  Ферум,

8.      0,07 % -  Силіцій,

9.      0,06 % -  Магній,

10.   0,04 % -  Сульфур. 

 0,13 відсотка - всі інші елементи.