Сложно сказать, кто первым придумал выражение «вся таблица Менделеева», но сейчас его широко используют как СМИ, так и простые граждане — с целью показать, что в каком-то продукте либо месторождении полезных ископаемых содержатся буквально все известные человечеству химические элементы. На самом деле это невозможно чисто технически, поскольку значительная часть этих элементов имеет только радиоактивные изотопы, причем многие с короткими периодами полураспада, а значит, в нормальных условиях они «долго не живут». Но в истории Вселенной были такие времена, когда это выражение имело гораздо больше общего с реальностью. Тогда периодическая таблица насчитывала всего три элемента, причем почти вся масса вещества приходилась на первые два — водород и гелий. «Компанию» им составляли скудные примеси единственного на тот момент металла — лития. Благодаря современным технологиям эти «примеси» постепенно становятся неотъемлемой частью нашей повседневной жизни..
Согласно существующим представлениям, процесс нуклеосинтеза (образования первых атомных ядер) стартовал, когда после Большого взрыва прошло менее секунды. Первоначально основной элементарной частицей был нейтрон (n). Но «одинокие» нейтроны нестабильны — они распадаются на протон и электрон, имеющие соответственно положительный и отрицательный электрический заряд и вместе формирующие атом простейшего элемента водорода (H). Часть появившихся протонов объединилась с нейтронами с образованием дейтронов — ядер дейтерия (D), тяжелого стабильного изотопа водорода. Это стало возможным примерно на 10-й секунде от «рождения» Вселенной, когда ее температура и плотность снизились настолько, что там исчезли высокоэнергетические фотоны, способные разрушать протон-нейтронные связи. Практически все дейтроны, в свою очередь, очень быстро объединились попарно, образовав высокостабильные α-частицы — ядра основного изотопа гелия (He).
Все описанные реакции в основном прекратились, когда нашей Вселенной «исполнилось» 20 минут. Тогда ее плотность стала слишком низкой, чтобы обеспечить достаточно высокую вероятность столкновения атомных ядер со скоростью, позволяющей их дальнейшее слияние. Но некоторые процессы «укрупнения» ядер все-таки успели зайти немного дальше и закончились появлением более тяжелых элементов — изотопов лития (Li) с атомными массами 6 и 7 и бериллия (Be) с массовым числом 7. Последний довольно быстро распался и превратился в тот же литий, который и станет главным героем нашего рассказа.
«Литиевый парадокс»
Современные теории, описывающие ранние этапы эволюции Вселенной, подтверждаются относительным содержанием химических элементов и их изотопов на больших масштабах, но и в них имеются некоторые недостатки. Один из них — так называемая «литиевая проблема».
Все «первичные» ядра, образовавшиеся после Большого взрыва, в дальнейшем стали «сырьем» для термоядерного синтеза в недрах звезд. Водород и его изотоп дейтерий в этих процессах только расходовались, гелий не просто расходовался, образуя более тяжелые элементы, но и синтезировался из водорода. Количество лития, как ранее считалось, тоже должно было уменьшаться, поскольку реакции, в которых он образовывался, ученым были неизвестны. Следовательно, он должен встречаться во Вселенной довольно редко — в количествах, сопоставимых с концентрацией дейтерия. А главное — в сформировавшихся ранее звездах его содержание должно было быть выше, чем в более молодых светилах. Но это совершенно не совпадало с данными спектральных наблюдений, четко показывавших: чем моложе светило — тем больше в нем концентрация лития.
Тайна слегка приоткрылась, когда ученые начали исследовать взаимодействие с веществом космических лучей — атомных ядер (иногда с достаточно большой массой), движущихся в межзвездном пространстве с огромными скоростями. Выяснилось, что они способны «разбивать» ядра других атомов, с которыми они сталкиваются, на «обломки» различных масс. Среди них оказалось и определенное количество лития. Правда, его все равно было недостаточно, чтобы объяснить содержание этого элемента в земной коре и Вселенной. Но настоящим прорывом в этом направлении стало открытие в 80-х годах прошлого века так называемых обогащенных литием гигантов (lithium-rich giants).
Звезды солнечного типа на исходе своего жизненного цикла, когда водород в их недрах почти полностью превращается в гелий, начинают разогреваться (запуская термоядерный синтез из гелия более тяжелых элементов) и сильно увеличиваются в размерах, после чего температура их поверхности заметно падает. Результатом этих преобразований становится красный гигант. С нашим Солнцем такое произойдет не раньше, чем через 4 млрд лет. Эта стадия «жизни» светила длится гораздо меньше его полного возраста, но благодаря высокой светимости мы можем видеть красные гиганты даже на больших расстояниях, поэтому астрономам известно немало таких звезд. И примерно один процент их имеет интересную особенность: концентрация лития в них в сотни и даже тысячи раз превышает ту, которая должна быть там в соответствии с представлениями о звездной эволюции.
В этом месте мы сталкиваемся с одним из «белых пятен» современной науки: ученые до сих пор не знают, в ходе каких процессов могут образовываться такие большие количества лития. Единственное, что уже известно — эти процессы могут инициироваться наличием определенных тяжелых элементов в протозвездном газово-пылевом облаке, из которого формируется светило. Дальнейший анализ данных показал, что наше Солнце на исходе своего активного существования тоже может стать таким «литиевым гигантом».
В любом случае, перед окончательным превращением в белых карликов такие гиганты сбрасывают в окружающее пространство свою внешнюю оболочку и обогащают литием космическое пространство. Так этот металл становится компонентом межзвездного вещества и получает возможность принять участие в формировании следующих поколений звезд и планет. Вероятно, таким же образом он в свое время попал и на Землю.
Из простого камня
Как с отдельным химическим элементом человечество знакомо с литием с 1817 года, когда шведский химик Иоганн Август Арфведсон выделил из минерала петалита его гидроксид. Ученый быстро понял, что имеет дело с соединением щелочного металла. Таких уже было известно два — натрий и калий. Но их обоих обнаружили в составе водорастворимых солей, а новый элемент входил в состав нерастворимого минерала, фактически обычного камня (в греческом языке — λίθος). Отсюда он и получил свое название.
Уже в следующем году литий был выделен в металлической форме — с помощью электролиза (так его получают до сих пор). Постепенно выяснилось, что он также содержится в природных растворах солей и в морской воде. Самая большая его концентрация найдена в некоторых соленых озерах Южной Америки. От других щелочных металлов его можно отделить, насыщая раствор гидроксидов углекислым газом: карбонат лития, в отличие от карбонатов натрия и калия, является слаборастворимым соединением.
В первые годы после открытия литий не находил широкого применения, пока не выяснилось, что некоторые его соли — например, перхлорат — после тщательной сушки хорошо поглощают воду из воздуха и других газов. Позже литиевые соединения нашли свое место в медицине, в производстве стекла (добавление к шихте карбоната лития делает стекло более прозрачным для ультрафиолетовых лучей), в органическом синтезе. Гидрид лития был предложен как эффективное средство хранения и источник водорода, оксид лития — как легкий и компактный поглотитель углекислого газа.
В XX веке ученые начали узнавать о других полезных свойствах лития. Фактически он «открывает» ряд активности металлов в водных растворах: его электрический потенциал оказался наиболее отрицательным, а следовательно, в качестве электрода химического элемента питания он позволяет получить самый эффективный источник энергии. Особенно впечатляют его показатели в пересчете на единицу массы, поскольку литий — еще и самый легкий из всех металлов: его плотность почти вдвое меньше плотности воды при комнатной температуре.
К сожалению, эта особенность лития является также главным его недостатком: этот металл очень химически активен и моментально вступает в реакцию с водой, а также атмосферными газами — кислородом и азотом (непосредственно взаимодействовать с азотом «не умеет» больше ни один химический элемент). Поэтому все литиевые источники энергии должны быть тщательно изолированы от окружающей среды. И здесь мы подходим к незаменимости лития как «космического металла»: вне атмосферы возможность такого взаимодействия можно полностью исключить, а значит, батареи и аккумуляторы на его основе постепенно становятся важными элементами систем энергоснабжения искусственных спутников Земли, пилотируемых кораблей и межпланетных зондов.
Основным конструкционным материалом космических аппаратов является алюминий. В последнее время специалисты изучают возможность создания алюминиевых сплавов с добавлением лития, которые обладали бы лучшими механическими свойствами, а главное — более низкой плотностью, что позволило бы значительно повысить эффективность использования ракет-носителей.
Но есть у лития также и «военная специальность», сделавшая его одним из наиболее грозных металлов современности, на уровне урана и плутония. Дело в том, что дейтерий и тритий в термоядерном заряде для начала реакции синтеза ядер гелия должны находиться под очень высоким давлением, недостижимым с помощью современных технологий. Проблему удалось решить, используя не газообразные изотопы водорода, а их соединения с литием-6 — твердые высокоплавкие вещества (говорят, что это решение первым предложил Андрей Сахаров). Причем ⁶Li тоже активно участвует в термоядерном синтезе, дополнительно увеличивая энерговыделение при взрыве. Впрочем, как чисто мирные изобретения могут быть поставлены на службу военным, так и многие военные технологии постепенно внедряются в нашу повседневную жизнь. Возможно, реакторы, работающие на дейтериде лития, когда-то в будущем станут мощным источником энергии для межпланетных и межзвездных исследовательских аппаратов.
Космические перспективы
Общее количество лития на Земле оценивается более чем в 300 млрд тонн, причем более трех четвертей его (230 млрд тонн) содержится в воде морей и океанов. К сожалению, его концентрация там очень низкая — не более 250 ионов на миллиард. Это сильно усложняет выделение «третьего элемента» и заставляет геологов уделять значительное внимание месторождениям минералов, которые принято считать литиевыми рудами (петалит, лепидолит, сподумен), а также рапе бессточных соленых озер и некоторым источникам подземных вод. Наиболее пригодными к добыче запасами лития располагает Чили — они оцениваются в 7,5 млн тонн.
Впрочем, новые данные о синтезе третьего элемента в звездных недрах и его распределении в протопланетных газово-пылевых облаках позволяют надеяться, что в космическом пространстве человечество может встретить еще более перспективные литиевые месторождения. Сравнительно богатыми литием могут оказаться Марс и подледные океаны спутников Юпитера. В качестве возможных «поставщиков» рассматриваются также кометы (правда, их гораздо сложнее «поймать»). Но все это скорее дела достаточно отдаленного будущего, когда человечество начнет заселение Солнечной системы.
Что касается современности, то соединения лития попали за пределы атмосферы уже в начале космической эры. Его пероксид и супероксид (Li₂O₂ та LiO₂) входят в состав систем жизнеобеспечения многих пилотируемых аппаратов: они поглощают из воздуха углекислый газ и водяной пар, взамен выделяя кислород. Рассматривались также варианты использования металлического лития в качестве добавки к горючему жидкостных и твердотопливных ракетных двигателей. Этому способствует его низкая плотность и невысокая температура плавления — всего 180,5°C. Но реактивная струя при использовании литиевого горючего разогревается настолько, что ее не могут «выдержать» никакие существующие конструкционные материалы. Впрочем, не исключено, что это препятствие скоро удастся устранить. Более существенны другие проблемы — высокая цена такого горючего и его агрессивность.
Благодаря своей активности литий может с выделением большого количества тепла гореть в таких средах, которые на Земле скорее считаются непригодными для горения — например, в углекислом газе. Возможно, литиевые двигатели станут движущей силой для исследовательских аппаратов, работающих в верхних слоях атмосферы Венеры.
Литий (точнее, его наиболее распространенный изотоп с атомной массой 7) и его сплавы с другими щелочными металлами предлагали использовать в качестве охладителя для ядерных реакторов. Опять же, на Земле эти попытки упираются в огнеопасность такой смеси, которая моментально загорается при контакте с воздухом и горит практически неугасимым пламенем. Но, например, на Луне такая опасность отсутствует. Подобным образом литий можно применять в так называемых тепловых трубах для быстрой передачи тепла в нужное место. «Литиевые трубы» являются рекордсменами теплопроводности в пересчете на единицу массы.
Из всего вышесказанного несложно понять, что славная история третьего элемента только начинается, и разворачиваться она будет не только на Земле, но и в космосе. Некоторые способы использования лития нам пока даже трудно представить, но уже сейчас можно быть уверенным, что он составит достойную компанию энергетическим «столпам» следующей технологической эпохи — кремнию и дейтерию.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
