Самая близкая химия
Степан Николаевич, этот год юбилейный: 300 лет исполняется Академии наук, 190 лет назад родился Дмитрий Иванович Менделеев, а 95 лет назад был образован химфак МГУ, с которым вы кровно связаны. Как, по-вашему, насколько работы Менделеева повлияли на развитие химии? Может, без него и химического факультета бы не было?
— Наверное, был бы. Но главное в том, что Дмитрий Иванович не просто провёл систематизацию известных на то время химических элементов — он открыл вселенский закон! Его имя, без преувеличения, имеет мировое значение. Я всё время говорю школьникам и студентам: систематизация Менделеева охватывает всё, что есть во Вселенной. Дальние ли галактики, почва ли под ногами — это ровно те же элементы. Ничего другого нет, не было и не будет!
И второй важный момент — прогностический характер системы. Многие в то время пытались делать что-то подобное, это человеческая потребность — систематизировать наблюдения, феномены. Но у Менделеева таблица имела предсказательный характер. Мы знаем, что ячейки, которые он оставил пустыми, уже при его жизни стали заполняться теми или иными элементами. Для меня тут ближе всего радиоактивные элементы, которые были открыты Анри Беккерелем и супругами Кюри — радий и полоний. Уран тогда уже был известен, но неизвестна была его радиоактивность. Все они нашли своё место в периодической таблице.
В начале XX века были открыты изотопы — разновидности атомов одного химического элемента, различающиеся числом нейтронов. К 1905 году их было уже около сорока, и стало очевидно: мест в таблице не хватает. Действительно, оказалось, что уранов бывает несколько — 234-й, 235-й, 238-й и т. д. Тогда появилось понятие «изотоп» как разновидность атомов одного химического элемента. Сейчас большую работу в направлении получения новых химических элементов проводят в Дубне, в Вако (в Японии, в Институте физико-химических исследований), в Беркли и Окридже. Сложность в том, что у элементов наблюдаются искажения в химических свойствах по сравнению с их более лёгкими аналогами из той или иной группы, что связано с релятивистскими эффектами, когда скорость движения электронов соизмерима со скоростью света…
— Думаете, Менделеев догадывался, что будут такие релятивистские эффекты?
— В то время — вряд ли. Актинидная теория принадлежит Сиборгу, она появилась где-то в середине прошлого века. Но Менделеев наверняка понимал, что таблица может расти. Он не знал, что появится теория электронных орбиталей (которая связана с именем Шрёдингера), но тем не менее он, я думаю, полагал, что ячейки продолжат заполняться.
... Для меня самая близкая химия — это химия актинидов, потому что она связана с ядерным топливным циклом, с ядерной энергетикой. Актиниды — группа тяжёлых химических элементов в самом низу таблицы Менделеева. Кстати говоря, представления о них тоже трансформировались: являются ли они гомологами гафния, тантала и вольфрама или составляют отдельный ряд, объединённый наличием 5f-электронов? Конечно, всё, что касается ядерных технологий, технологий ядерного топливного цикла, основано на химических свойствах элементов и их периодичности.
Представьте себе: мы загружаем в ядерный реактор малорадиоактивное и достаточно простое по составу соединение, чаще всего, если это коммерческий реактор, — диоксид урана UO2 в виде такой маленькой таблеточки. Вы её можете руками трогать, и ничего не будет, потому что период полураспада — 4,5 млрд лет. А выгружаете оттуда радиоактивную субстанцию. Отработавшее топливо руками трогать нельзя: несколько минут — и будет лучевая болезнь. В результате ядерных реакций — нейтронно-индуцированного деления ядер — образуется, условно говоря, треть элементов периодической системы. Дальше задача технологов, химиков, физиков, инженеров осуществить выделение «недогоревшего» урана, а его остаётся 95%! Мы расходуем всего 5%, но образуется множество других элементов, которые отравляют топливо. А все технологии, связанные с выделением того мусора, который мы называем радиоактивными отходами, основаны на различии в химических свойствах этих элементов. Они определяются именно периодичностью. Если речь идёт о переходных металлах или об актинидах — различия в том, что есть разные степени окисления, разное количество электронов, которые могут участвовать в образовании химической связи. Тот же уран — у него по меньшей мере две устойчивые степени окисления, у плутония — минимум четыре в обычных условиях. Ты играешь на этом и предлагаешь тот или иной метод выделения, разделения этих элементов.