Элементарная Вселенная

По современным представлениям Вселенная почти полностью состоит из загадочной темной материи и не менее загадочной темной энергии, но о них известно очень мало. По мнению учёных лишь 5% приходится на хорошо изученную обычную материю, из которой состоят газовые и пылевые облака, галактики, звёзды, планеты и все другие видимые объекты во Вселенной. На планете Земля вся эта материя образуется из огромного количества сочетаний 94 химических элементов, существующих в природе. Гигантские просторы наблюдаемой Вселенной также построены из этих 94 элементов.  

Сегодня мы начинаем новую рубрику «Элементарная Вселенная», где будем рассказывать о химических элементах: истории их открытия, физических и химических свойствах, Периодическом законе Менделеева, соединениях элементов, их нахождении на Земле и в космосе и многом другом.

Слово «элемент» (лат. elementum) использовалось уже в греко-римской цивилизации как часть чего-то. В те времена была популярной фраза: «Как слова состоят из букв, так и тела — из элементов». Возможно и происхождение этого термина от звучания букв l, m, n, t латинского алфавита, произнесённых подряд: «el» — «em» — «en» — «tum».

В 1789 году французский химик Антуан Лоран Лавуазье в книге «Элементарный курс химии» опубликовал первый в истории новой химии список химических элементов, разделённых на несколько классов. Он впервые отождествил с химическими элементами кислород, азот, водород, серу, фосфор.  Ко времени открытия Д.И. Менделеевым Периодического закона в 1869 году было известно 63 элемента. По состоянию на 2024 год известно 118 химических элементов, 94 из них встречаются в природе, 24 искусственно синтезированы.

Наиболее распространенными элементами в земной коре являются кислород и кремний, среднее содержание которых (в массовых процентах) составляет соответственно – 50 и 25. Они вместе с алюминием, железом, кальцием, натрием, калием, магнием, водородом и титаном составляют более 99 % массы земной оболочки.  Содержание элементов в коре Земли отличается от их концентраций в Земле, взятой как целое, так как химический состав мантии и ядра другой. Так, ядро состоит в основном из железа и никеля, а на его массу приходится 30% всей массы Земли. В свою очередь, содержания элементов в Солнечной системе и в целом во Вселенной также отличаются от земных. Наиболее распространённым элементом во Вселенной является водород, за ним следует гелий.

Большинство химических элементов периодической таблицы Менделеева (94 из 118) были найдены в природе: 5 из 94 – технеций, прометий, астат, нептуний, плутоний – сначала были синтезированы, а потом обнаружены в земной коре в ничтожно малых концентрациях. Например, технеций на Земле встречается в следовых количествах только в урановых рудах, где его содержание составляет 5·10⁻¹⁰ г на 1 кг урана. Но в космосе технеций зафиксирован в спектрах некоторых звёзд в созвездиях Кита, Андромеды, Лебедя и Близнецов. Теперь такие звёзды называют технециевыми.

Большинство химических элементов (83 из 94), обнаруженных в земной коре, являются первичными.  Они возникли в результате нуклеосинтеза в галактике до образования Солнечной системы. У них есть стабильные и долгоживущие изотопы, период полураспада которых достаточен, чтобы они не распались за 4,5 млрд лет с момента образования Солнечной системы. Остальные 11: технеций, прометий, полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, протактиний, нептуний и плутоний являются радиогенными, то есть возникли в результате радиоактивного распада других элементов.