Важко сказати, хто першим придумав вислів «уся таблиця Мендєлєєва», але зараз його широко вживають як ЗМІ, так і прості громадяни — з метою показати, що в якомусь продукті чи родовищі корисних копалин містяться буквально всі відомі людству хімічні елементи. Насправді це неможливо чисто технічно, бо значна частина цих елементів має лише радіоактивні ізотопи, й багато — з короткими періодами напіврозпаду, тому в нормальних умовах вони «довго не живуть». Але в історії Всесвіту були такі часи, коли цей вислів мав набагато більше спільного з реальністю. Тоді періодична таблиця налічувала всього три елементи, причому майже вся маса речовини припадала на перші два — водень і гелій. «Компанію» їм складали мізерні домішки єдиного на той час металу — літію. Завдяки сучасним технологіям ці «домішки» поступово стають невіддільною частиною нашого повсякденного життя.
Згідно з існуючими уявленнями, процес нуклеосинтезу (утворення перших атомних ядер) стартував, коли після Великого вибуху минуло менше секунди. Спочатку основною елементарною частинкою був нейтрон (n). Але «самотні» нейтрони нестабільні — вони розпадаються на протон і електрон, які мають відповідно позитивний і негативний електричний заряд і разом формують атом найпростішого елементу водню (H). Частина новоутворених протонів об’єдналася з нейтронами з утворенням дейтронів — ядер дейтерію (D), важкого стабільного ізотопу водню. Це стало можливим приблизно на 10-й секунді від «народження» Всесвіту, коли його температура та густина знизилися настільки, що там зникли високоенергетичні фотони, здатні руйнувати протон-нейтронні зв’язки. Практично всі дейтрони, у свою чергу, дуже швидко об’єдналися попарно, утворивши високостабільні α-частинки — ядра основного ізотопу гелію (He).
Всі описані реакції в основному припинилися, коли нашому Всесвіту «виповнилося» 20 хвилин. Тоді його густина стала занадто низькою, щоб забезпечити достатньо високу ймовірність зіткнення атомних ядер зі швидкістю, яка б дозволила їхнє подальше злиття. Але деякі процеси «укрупнення» ядер все-таки встигли зайти трохи далі й закінчилися появою більш важких елементів — ізотопів літію (Li) з атомними масами 6 і 7 і берилію (Be) з масовим числом 7. Останній досить швидко розпався та перетворився на той же літій, що й стане головним героєм нашої розповіді.
«Літієвий парадокс»
Сучасні теорії, що описують ранні етапи еволюції Всесвіту, підтверджуються відносним вмістом хімічних елементів і їхніх ізотопів на великих масштабах, але й у них присутні деякі недоліки. Один із них — так звана «літієва проблема».
Всі «первісні» ядра, що утворилися після Великого вибуху, надалі стали «сировиною» для термоядерного синтезу в надрах зірок. Водень і його ізотоп дейтерій у цих процесах лише витрачалися, гелій — не тільки витрачався, утворюючи більш важкі елементи, але й синтезувався з водню. Кількість літію, як раніше вважалося, теж мала би зменшуватися, бо реакції, у яких би він утворювався, вченим були невідомі. Отже, він би мав зустрічатись у Всесвіті досить рідко — у кількостях, співмірних із концентрацією дейтерію. А головне — у зірках, які сформувалися раніше, його вміст мусив бути вищим, ніж у більш молодих світилах. Але це абсолютно не збігалося з даними спектральних спостережень, які чітко показували: чим молодше світило — тим більша в ньому концентрація літію.
Таємниця трохи привідкрилася, коли вчені почали досліджувати взаємодію з речовиною космічних променів — атомних ядер (часом із досить великою масою), що рухаються міжзоряним простором із величезними швидкостями. З’ясувалося, що вони здатні «розбивати» ядра інших атомів, із якими вони зіштовхуються, на «уламки» різноманітних мас. Серед них виявилась і певна кількість літію. Щоправда, його все одно було недостатньо, аби пояснити наявний вміст цього елементу в земній корі та Всесвіті. Та справжнім проривом у цьому напрямку стало відкриття у 80-х роках минулого століття так званих збагачених літієм гігантів (lithium-rich giants).
Зірки сонячного типу під кінець свого життєвого циклу, коли водень у їхніх надрах майже повністю перетворюється на гелій, починають розігріватися (запускаючи термоядерний синтез із гелію більш важких елементів) і сильно збільшуються в розмірах, після чого температура їхньої поверхні помітно падає. Результатом цих перетворень стає червоний гігант. Із нашим Сонцем таке станеться не раніше ніж за 4 млрд років. Ця стадія «життя» світила триває значно менше його повного віку, але завдяки високій світності ми можемо бачити червоні гіганти навіть на великих відстанях, тому астрономам відомо чимало таких зірок. І приблизно один відсоток їх має цікаву особливість: концентрація літію в них у сотні та навіть тисячі разів перевищує ту, яка мала б там бути згідно з уявленнями про зоряну еволюцію.
В цьому місці ми стикаємося з однією з «білих плям» сучасної науки: вчені досі не знають, під час яких процесів можуть утворюватися такі великі кількості літію. Єдине, що вже відомо — ці процеси можуть ініціюватися наявністю певних важких елементів у протозоряній газово-пиловій хмарі, з якої формується світило. Подальший аналіз даних показав, що наше Сонце під кінець свого активного існування теж може стати таким «літієвим гігантом».
У кожному разі перед остаточним перетворенням на білих карликів такі гіганти скидають у навколишній простір свою зовнішню оболонку і збагачують літієм космічний простір. Так цей метал стає компонентом міжзоряної речовини й отримує можливість узяти участь у формуванні наступних поколінь зірок і планет. Імовірно, таким чином він свого часу потрапив і на Землю.
З простого каменю
Як з окремим хімічним елементом людство знайоме з літієм від 1817 року, коли шведський хімік Йоганн Август Арфведсон виділив із мінералу петаліту його гідроксид. Учений швидко зрозумів, що має справу зі сполукою лужного металу. Таких уже було відомо два — натрій і калій. Але їх обох виявили у складі водорозчинних солей, а новий елемент входив до складу нерозчинного мінералу, фактично звичайного каменю (грецькою мовою — λίθος). Звідси він і отримав свою назву.
Вже наступного року літій був виділений у металічній формі — за допомогою електролізу (так його отримують і досі). Поступово з’ясувалося, що він також присутній у природних розчинах солей і в морській воді. Найбільша його концентрація знайдена у деяких солоних озерах Південної Америки. Від інших лужних металів його можна відділити, насичуючи розчин їхніх гідроксидів вуглекислим газом: карбонат літію, на відміну від карбонатів натрію та калію, є слаборозчинною сполукою.
У перші роки після відкриття літій не знаходив широкого застосування, поки не з’ясувалося, що деякі його солі — наприклад, перхлорат— після ретельного висушування добре поглинають воду з повітря й інших газів. Пізніше літієві сполуки знайшли своє місце в медицині, у виробництві скла (додавання до шихти карбонату літію робить скло більш прозорим для ультрафіолетових променів), в органічному синтезі. Гідрид літію був запропонований як ефективний засіб зберігання та джерело водню, оксид літію — як легкий і компактний поглинач вуглекислого газу.
У XX столітті вчені почали дізнаватися про інші корисні властивості літію. Фактично він «відкриває» ряд активності металів у водних розчинах: його електричний потенціал виявився найбільш негативним, а отже, як електрод хімічного елементу живлення він дозволяє отримати найефективніше джерело енергії. Особливо вражають його показники у перерахунку на одиницю маси, бо літій — ще й найлегший з усіх металів: його густина майже вдвічі менша за густину води при кімнатній температурі.
На жаль, ця особливість літію є також головним його недоліком: цей метал дуже хімічно активний і моментально вступає в реакцію з водою, а також атмосферними газами — киснем і азотом (безпосередньо взаємодіяти з азотом «не вміє» жоден інший хімічний елемент). Тому всі літієві джерела енергії мають бути ретельно ізольовані від навколишнього середовища. І тут ми підходимо до незамінності літію як «космічного металу»: за межами атмосфери можливість такої взаємодії можна повністю виключити, а отже, батареї й акумулятори на його базі поступово стають важливими елементами систем енергозабезпечення штучних супутників Землі, пілотованих кораблів і міжпланетних зондів.
Основним конструкційним матеріалом космічних апаратів є алюміній. Останнім часом фахівці вивчають можливість створення алюмінієвих сплавів із додаванням літію, які мали би кращі механічні властивості, а головне — нижчу густину, що дозволило би значно підвищити ефективність використання ракет-носіїв.
Але літій має також «військову спеціальність», що зробила його одним із найбільш грізних металів сучасності, на рівні урану та плутонію. Річ у тім, що дейтерій і тритій у термоядерному заряді для початку реакції синтезу ядер гелію мають перебувати під дуже великим тиском, недосяжним за сучасних технологій. Проблему вдалося вирішити, використавши не газоподібні ізотопи водню, а їхні сполуки з літієм-6 — тверді високоплавкі речовини (подейкують, що це рішення першим запропонував Андрій Сахаров). Причому ⁶Li теж бере активну участь у термоядерному синтезі, додатково збільшуючи енерговиділення під час вибуху. Втім, так само, як суто мирні винаходи можуть бути поставлені на службу військовим, багато мілітарних технологій поступово впроваджуються у наше повсякденне життя. Можливо, реактори, що працюють на дейтериді літію, колись у майбутньому стануть потужним джерелом енергії для міжпланетних і міжзоряних дослідницьких апаратів.
Космічні перспективи
Загальна кількість літію на Землі оцінюється у понад 300 млрд тонн, причому понад три чверті його (230 млрд тонн) міститься у воді морів і океанів. На жаль, його концентрація там дуже низька — не більш ніж 250 іонів на мільярд. Це сильно ускладнює виділення цього елементу і змушує геологів приділяти значну увагу родовищам мінералів, які прийнято вважати літієвими рудами (петаліт, лепідоліт, сподумен), а також ропі безстічних солоних озер і деяким джерелам підземних вод. Найбільш придатними до видобутку запасами літію диспонує Чилі — вони оцінюються у 7,5 млн тонн.
Втім, нові дані про синтез третього елементу в зоряних надрах і його розподіл у протопланетних газово-пилових хмарах дають підстави сподіватися, що в космічному просторі людство може зустріти ще більш перспективні літієві родовища. Порівняно багатими на літій можуть виявитися Марс і підльодні океани супутників Юпітеру. В якості можливих «постачальників» розглядаються також комети (щоправда, їх набагато складніше «вполювати»). Але все це радше справи досить віддаленого майбутнього, коли людство розпочне заселення Сонячної системи.
Що стосується сучасності, то сполуки літію потрапили за межі атмосфери вже на початку космічної ери. Його пероксид і супероксид (Li₂O₂ та LiO₂) входять до складу систем життєзабезпечення багатьох пілотованих апаратів: вони поглинають із повітря вуглекислий газ і водяну пару, натомість виділяючи кисень. Розглядалися також варіанти використання металічного літію як додатку до палива рідинних і твердопаливних ракетних двигунів. Цьому сприяє його низька густина й невисока температура плавлення — лише 180,5°C. Але реактивний струмінь при використанні літієвого пального розігрівається настільки, що його не можуть «витримати» жодні існуючі конструкційні матеріали. Втім, не виключено, що цю перешкоду вже скоро вдасться усунути. Більш суттєвими є інші проблеми — висока ціна такого пального та його агресивність.
Завдяки своїй активності літій може з виділенням великої кількості тепла горіти в таких середовищах, які на Землі найчастіше вважаються непридатними для горіння — наприклад, у вуглекислому газі. Можливо, літієві двигуни стануть рушійною силою для дослідницьких апаратів, що працюватимуть у верхніх шарах атмосфери Венери.
п
Можливий вигляд безпілотного літального апарата для досліджень венеріанської атмосфери. Джерело: Mark Orzechowski
Літій (точніше, його найбільш розповсюджений ізотоп із атомною масою 7) і його сплави з іншими лужними металами пропонували використовувати як охолоджувач для ядерних реакторів. Знову-таки, на Землі ці спроби впираються у вогненебезпечність такої суміші, що моментально спалахує при контакті з повітрям і горить практично незгасимим полум’ям. Але, наприклад, на Місяці така небезпека відсутня. Схожим чином літій можна застосовувати у так званих теплових трубах для швидкої передачі тепла у потрібне місце. «Літієві труби» є рекордсменами теплопровідності у перерахунку на одиницю маси.
З усього вищесказаного нескладо зрозуміти, що славетна історія третього елемента лише починається, і розгортатися вона буде не тільки на Землі, але й у космосі. Деякі способи застосування літію нам поки навіть важко уявити, та вже зараз можна бути певним, що він складе гідну компанію енергетичним «стовпам» наступної технологічної епохи — кремнію та дейтерію.
Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
