Редкие химические вещества. Самый редкий химический элемент на земле

Все мы знаем о таких металлах, как алюминий, железо, хром, платина, золото. Все они у нас на слуху и являются наиболее распространенными. Но есть и такие металлы, название которых многим людям совершенно не знакомо. Давайте узнаем, какой самый редкий металл на Земле существует, и какие он имеет характеристики.

Рений: устойчивый и редкий

Самый редкий металл в мире – таковым по праву может считаться рений, появление которого было предсказано Менделеевым в 1870г. В те времена великий химик утверждал, что совсем скоро будет обнаружено соединение, имеющее вес атома 180. Однако многие ученые бились над этим, но открыть неведомый ранее металл удалось им лишь в 1925г. Вальтер и Иде Ноддак открыли устойчивый материал, который был назван в честь немецкой реки Рейн.

Очень многие люди даже и не догадываются о существовании этого редчайшего металла, однако в промышленности о нем знают не понаслышке – ценность рения признается гораздо более высокой, чем ценность платины. В 1992 году было обнаружено редкое месторождение рения, которое находится в России – на вулкане Кудрявый (Южно-Курильские острова). Сегодня данное месторождение находится в стадии активного формирования. Однако добыть этот самый редкий металл довольно сложно – чтобы получить килограмм материала, нужно добыть не меньше 2000 тонн молибденовой и медной руды. За год можно получить примерно сорок тонн редчайшего металла.

Характеристики редкого металла

Данный металл можно отнести к одному из наиболее тугоплавких. Но, несмотря на это, он довольно пластичен. Легко поддается ковке, прокатке, вытягиванию в проволоку. Но пластичные свойства материала зависят прямым образом от того, насколько чистым является полученный рений. Поскольку данный элемент будет пластичнее, чем вольфрам, то и спрос на него несколько выше. Но использовать данный металл иногда бывает затруднительно в силу его высокой стоимости. Рений даже можно считать самым дорогостоящим металлом.К примеру, в 1969г. за один килограмм редчайшего элемента в порошковом виде нужно было выложить примерно 1300 долларов.

Немаловажным качеством рения является его прекрасная жаропрочность. Свойственно данному материалу сохранять прочность при 2000 градусном температурном режиме гораздо лучше, чем это присуще молибдену, вольфраму, ниобию. К тому же прочность рения выше, чем у данных металлов, с трудом поддающихся плавлению. Редкий металл обладает и высокой устойчивостью к коррозии, что роднит материал с платиной.

В компактном виде рений обладает серебристым цветом. Если хранить его при невысоких температурах, то годами он не будет терять внешнего вида и не потускнеет. Процесс окисления рения можно наблюдать при температурном режиме в 300 градусов, а более интенсивное окисление будет происходить при температуре свыше 600 градусов. Данное свойство означает, что металл гораздо более стойкий к окислительному процессу, чем вольфрам или молибден, а также ему не свойственно вступать в реакцию с азотом и водородом.

Использование рения

Благодаря отличному сочетанию химических и физических характеристик данного металла, он используется в тех отраслях, где применение дорогостоящих металлов необходимо, чтобы достичь нужных результатов. Как правило, рений идет для сплавов, которые в итоге получаются более дешевыми, чем он сам. А непосредственно рений используют для изготовления важных деталей небольших размеров. Также рений идет на покрытие других металлов.

Применяют рений для создания высокооктанового бензина, изготовления высокоточной техники, производства фильтров, позволяющих очищать автомобильные выхлопы. Но использовать рений в более широких масштабах почти невозможно из-за его дефицита в природе и, следовательно, высокой стоимости.

Еще один редкий элемент в земной коре

Таковым признан астат, которого в земной коре, по мнению ученых, содержится лишь 0,16 гр. Открыт официально данный элемент таблицы Менделеева был в 1940г. Характеристики астата изучить экспериментально довольно сложно из-за малого его количества. Однако этот радиоактивный элемент вызывает сегодня большой интерес ученых, поскольку было выяснено, что он может использоваться в борьбе с раковыми клетками.

В природе встречаются 94 химических элемента. К настоящему времени искусственно получены ещё 15 трансурановых элементов (элементы с 95-го по 109-ый), существование 10 из них бесспорно.

Самые распространенные

Литосфера. Кислород (O), 46,60% по весу. Открыт в 1771 г. Карлом Шееле (Швеция).

Атмосфера. Азот (N), 78,09% по объему, 75,52% по массе. Открыт в 1772 г. Резерфордом (Великобритания).

Вселенная. Водород (Н), 90% всего вещества. Открыт в 1776 г. Генри Кавендишем (Beликобритания).

Самый редкий (из 94)

Литосфера. Астат (At): 0,16 г в земной коре. Открыт в 1940 г. Корсоном (США) с сотрудниками. Встречающийся в природе изотоп астат 215 (215 Аt) (открыт в 1943 г. Б. Карликом и Т. Бернертом, Австрия) существует в количестве лишь 4,5 нанограмма.

Атмосфера. Радон (Rn): всего 2,4 кг (6·10 –20 объема одной части на 1 млн). Открыт в 1900 г. Дорном (Германия). Концентрация этого радиоактивного газа в районах залежей гранитных пород предположительно стала причиной ряда раковых заболеваний. Общая масса радона, находящегося в земной коре, из которой и пополняются атмосферные запасы газа, равна 160 т.

Самый легкий

Газ. Водород (Н) имеет плотность 0,00008989 г/см 3 при температуре 0°С и давлении в 1 атм. Открыт в 1776 г. Кавендишем (Великобритания).

Металл. Литий (Li), имеющий плотность 0,5334 г/см 3 , является самым лёгким из всех твёрдых веществ. Открыт в 1817 г. Арфведсоном (Швеция).

Максимальная плотность

Осмий (Os), имеющий плотность 22,59 г/см 3 , является самым тяжёлым из всех твёрдых веществ. Открыт в 1804 г. Теннантом (Великобритания).

Самый тяжёлый газ

Им является радон (Rn), плотность которого 0,01005 г/см 3 при 0°С. Открыт в 1900 г. Дорном (Германия).

Последний из полученных

Элемент 108, или уннилоктий (Uno). Это предварительное название дано Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC). Получен в апреле 1984 г. Г. Мюнценбергом с сотрудниками (Западная Германия), которые наблюдали всего 3 атома этого элемента в лаборатории Общества по исследованию тяжёлых ионов в Дармштадте. В июне того же года появилось сообщение о том, что этот элемент был получен также Ю.Ц. Оганесяном с сотрудниками в Объединённом институте ядерных исследований, Дубна, СССР.

Единственный атом унниленния (Une) был получен в результате бомбардировки висмута ионами железа в лаборатории Общества по исследованию тяжёлых ионов, Дармштадт, Западная Германия, 29 августа 1982 г. У него самый большой порядковый номер (элемент 109) и самая большая атомная масса (266). По самым предварительным данным, советские ученые наблюдали образование изотопа элемента 110 с атомной массой 272 (предварительное название – унуннилий(Uun)).

Самый чистый

Гелий-4 (4 Не), полученный в апреле 1978 г. П.В. Маклинтоком из Ланкастерского университета, США, имеет менее 2 частей примесей на 10 15 частей объема.

Самый твёрдый

Углерод (С). В аллотропной форме алмаза имеет твёрдость по методу Кноопа – 8400. Известен с доисторических времен.

Самый дорогой

Калифорний (Сf) продавался в 1970 г. по цене 10 долл. за микрограмм. Открыт в 1950 г. Сиборгом (США) с сотрудниками.

Самый пластичный

Золото (Аu). Из 1 г можно вытянуть проволоку длиной 2,4 км. Известно с 3000 г. до н.э.

Самый высокий предел прочности на разрыв

Бор (В) – 5,7 ГПа. Открыт в 1808 г. Гей-Люссаком и Тенаром (Франция) и X. Дэви (Великобритания).

Точка плавления/кипения

Самая низкая. Среди неметаллов гелий-4 (4Не) имеет самую низкую точку плавления –272,375°С при давлении 24,985 атм и самую низкую точку кипения –268,928°С. Гелий открыт в 1868 г. Локьером (Великобритания) и Жансеном (Франция). Одноатомный водород (Н) должен быть несжижаемым сверхтекучим газом. Среди металлов соответствующие параметры у ртути (Hg): –38,836°С (точка плавления) и 356,661°С (точка кипения).

Самая высокая. Среди неметаллов самая высокая точка плавления и точка кипения у известного с доисторических времен углерода (С): 530°С и 3870°С. Однако представляется спорным, что графит стабилен при высоких температурах. Переходя при 3720°С из твёрдого в парообразное состояние, графит может быть получен как жидкость при давлении в 100 атм и температуре 4730°С. Среди металлов соответствующие параметры у вольфрама (W): 3420°С (точка плавления) и 5860°С (точка кипения). Открыт в 1783 г. Х.Х. и Ф. д"Элуярами (Испания).

Изотопы

Наибольшее количество изотопов (по 36 у каждого) у ксенона (Xe), открыт в 1898 г. Рамзаем и Траверсом (Великобритания), и у цезия (Cs), открыт в 1860 г. Бунзеном и Кирхгофом (Германия). Наименьшее количество (3: протий, дейтерий и тритий) у водорода (Н), открыт в 1776 г. Кавендишем (Великобритания).

Самый стабильный. Теллур-128 (128 Те), по данным двойного бета-распада, имеет период полураспада 1,5·10 24 лет. Теллур (Те) открыт в 1782 г. Мюллером фон Райхенштайном (Австрия). Изотоп 128 Те впервые обнаружен в естественном состоянии в 1924 г. Ф. Астоном (Великобритания). Данные о его сверхстабильности были вновь подтверждены в 1968 г. исследованиями Е. Александера-младшего, Б. Шринивасана и О. Маньюэла (США). Рекорд альфа-распада принадлежит самарию-148 (148 Sm) – 8·10 15 лет. Рекорд бета-распада принадлежит изотопу кадмия 113 (113 Cd) – 9·10 15 лет. Оба изотопа были обнаружены в естественном состоянии Ф. Астоном, соответственно, в 1933 и в 1924 гг. Радиоактивность 148 Sm была открыта Т. Уилкинсом и А. Демпстером (США) в 1938 г., а радиоактивность 113 Cd в 1961 г. обнаружили Д. Уотт и Р. Гловер (Великобритания).

Самый нестабильный. Время жизни лития-5 (5 Li) ограничено 4,4·10 –22 с. Изотоп впервые обнаружен Е. Титтертоном (Австралия) и Т. Бринкли (Великобритания) в 1950 г.

Жидкостный ряд

Учитывая разницу между точкой плавления и точкой кипения, элементом с самым коротким жидкостным рядом является инертный газ неон (Ne) – всего навсего 2,542 градуса (от –248,594°С до –246,052°С), тогда как самый продолжительный жидкостный ряд (3453 градуса) характерен для радиоактивного трансуранового элемента нептуния (Np) (от 637°С до 4090°С). Однако если принять во внимание истинный ряд жидкостей – от точки плавления до критической точки, –то самый короткий период имеет элемент гелий (Не) – всего 5,195 градуса (от абсолютного нуля до –268,928°С), а самый продолжительный – 10200 градусов – для вольфрама (от 3420°С до 13 620°С).

Самое ядовитое

Среди нерадиоактивных веществ самые строгие ограничения установлены для бериллия (Ве) – предельно допустимая концентрация (ПДК) этого элемента в воздухе всего 2 мкг/м 3 . Среди радиоактивных изотопов, существующих в природе или вырабатываемых ядерными установками, самые строгие ограничения по содержанию в воздухе установлены для тория-228 (228 Th), который был впервые обнаружен Отто Ганом (Германия) в 1905 г. (2,4·10 –16 г/м 3), а по содержанию в воде – для радия-228 (228 Ra), открытого О. Ганом в 1907 г. (1,1·10 –13 г/л). С точки зрения экологии они имеют значительные периоды полураспада (т.е. свыше 6 месяцев).

Книга рекордов Гиннеса, 1998 г.

"Неустойчивый" элемент

Согласно подсчётам, в природе существует всего лишь около 30 грамм данного вещества. При жизни Д.И. Менделеева, открывшего периодический закон, этот элемент ещё не был обнаружен – его существование было только предсказано учёным. Неизвестному элементу был присвоен порядковый номер 85. И только в 1943 году он был обнаружен в природе. Правда, незадолго до этого, в 1940 году, этот элемент был получен искусственно в лаборатории.

Имя этому редкому веществу, представляющему собой чёрно-синие кристаллы, - астат. Название происходит от греческого слова «астатос», что буквально означает «неустойчивый». И элемент полностью соответствует данному ему наименованию: его жизнь коротка, период полураспада составляет всего 8,1 ч. Обнаружить астат удалось в продуктах распада радона, урана и тория. Крошечные количества астата в земной коре были обнаружены путём улавливания характерного для вещества излучения.

Свойства астата

Редкий и неуловимый астат практически не растворяется в воде, зато легко испаряется в воздухе и в вакууме. Но большинство его свойств пока мало изучены в силу сложности получения астата для исследований. Нерешённым остаётся вопрос, относится ли астат к металлам или к неметаллам. По своим химическим свойствам он приближается к неметаллу йоду и к металлу полонию. Сам Менделеев назвал неизвестное тогда вещество «эка-йод».

В основном изотопы астата получают облучением металлических висмута или тория α-частицами высокой энергии с последующим отделением астата соосаждением, экстракцией, хроматографией или дистилляцией. Температура плавления 302 °C, кипения (возгонки) 337 °C.

Астат – ядовитое вещество. Вдыхание его в совсем небольшом количестве способно вызвать сильное раздражение и воспаление дыхательных путей, а большая концентрация приводит к сильному отравлению.

Влияние на организм

Одним из свойств, объединяющих астат с йодом, является его способность концентрироваться в щитовидной железе. Причём, его воздействие на щитовидную железу сходно с йодом, только действие астата сильнее. К тому же найдено надёжное средство выведения астата из организма – ионы роданида, что позволяет свести к минимуму вредное воздействие на другие органы и ткани. Такие свойства астата делают перспективным его применение в медицине.

Но у астата ещё немало тайн и загадок, которые рассеяны в природе и неуловимы так же, как и он сам. Даже крошечные его частицы, вероятно, таят в себе большие возможности, которые человечеству ещё предстоит раскрыть.

Редкий элемент европий (Europium ), относящийся к группе лантаноидов, можно обнаружить… в евро. Его крайне малое количество содержит металлическая метка на купюре, препятствующая подделке.
Элемент (атомный номер 63) был открыт в начале ХХ века и назван так в честь Европы. В мире есть несколько рудников, где добывается европий: в Китае, России, а также небольшая шахта в США. Но запасы его считаются дефицитом.
По некоторым данным, стоимость одного грамма Eu доходит до 2 тыс. долларов. Еще одним интересным применением европия стала цветопередача экранов телевизоров и компьютерных мониторов. Именно он, благодаря химическим свойствам, обеспечивает присутствие на экране насыщенного красного цвета.

Элемент аргон (Argon ) известен более своего собрата европия благодаря той же сварке, лампам и распространенности в земной атмосфере. Однако мало кто знает, что инертный газ аргон (атомный номер 18) используется также при монтаже энергосберегающих окон. Из-за низкой проводимости тепла его помещают между стеклами. Сам по себе аргон безопасен, но у него есть свойство «выдавливать» из атмосферы кислород. Отсюда еще одно применение элемента – его используют на бойнях фабрик для умерщвления, к примеру, птиц.

Скандий (Scandium ) был открыт в 1879 году и назван так химиком Ларсом Фредериком Нильсоном в честь Скандинавии. Этот элемент достаточно распространен в земной коре (его извлекают из минерала тортвейтита), однако даже спустя 100 лет после его открытия люди так и не придумали, как использовать скандий (атомный номер 21). В 1970-х годах эксперты обнаружили, что этот серебристый металл в соединении с алюминием дает удивительно прочный и легкий сплав, который может успешно использоваться в аэрокосмической промышленности.

У Айзека Азимова есть небольшая научно-фантастическая повесть «Ловушка для простаков». Ее герои – ученые – пытаются установить причины гибели колонии поселенцев на планете сразу после ее высадки. Выяснилось, что причиной стал бериллиоз, вызванный вышедшим на поверхность бериллием (Beryllium ). На самом деле вред бериллия (атомный номер 4) не является полностью фантастикой, хотя и преувеличен Азимовым. По данным Международного агентства по исследованию рака (International Agency for Research on Cancer), бериллий является канцерогеном. С другой стороны, ценность бериллия несомненна: в сочетании с хромом он приобретает красивый зеленоватый оттенок и становится драгоценным камнем, известным как изумруд.

Самым мистическим элементом можно назвать галлий (Gallium ) из-за необычной области его применения. Днем серьезные люди используют галлий (атомный номер 31) для производства полупроводников или в фармакологической промышленности. А вечером галлий выходит на сцену вместе с иллюзионистами. Дело в том, что у этого мягкого и блестящего металла есть интересное свойство. При температуре чуть выше комнатной он начинает «таять». То есть если ложку из галлия положить на стол, она останется ложкой. Но в стакане с горячим чаем она «растворится». То же произойдет, если долго нагревать ложку из галлия теплом руки. Отсюда и знаменитый фокус с ложкой, «согнутой силой мысли».