Смешение химических элементов: гипотетический эксперимент¶
Смешение всех элементов таблицы Менделеева — гипотетический мысленный эксперимент, в котором все 118 известных химических элементов объединяются в одну смесь. Реализация такого опыта в полном объёме практически невозможна, однако поведение большинства элементов при контакте друг с другом предсказуемо на основе законов химии и физики.
¶Состав исходной смеси
Периодическая система содержит 118 подтверждённых элементов: от водорода (Z = 1) до оганесона (Z = 118). Большинство из них в при обычных условиях существуют в виде твёрдых тел, немногие — газы (водород, гелий, азот, кислород, фтор, неон, хлор, аргон, криптон, ксенон, радон, оганесон предположительно), и два — жидкие (бром и ртуть).
Распространённость элементов в земной коре сильно различается: кислород и кремний составляют около 75 % массы, тогда как многие редкие элемента (аурум, платина, уран, полоний) присутствуют в тысячных и миллионных долях. Если смешать равные массовые доли всех элементов, смесь окажется крайне неоднородной по химической активности.
¶Начальные реакции
При контакте компонентов начнётся бурная серия химических реакций:
- Фтор — самый сильный окислитель среди всех элементов — атакует практически всё, включая благородные газы (кроме неона и гелия) и сам азот. Образуются фториды.
- Кислород реагирует с большинством металлов и неметаллов, образуя оксиды. С щелочными и щёлочноземельными металлами (литий, натрий, калий, кальций) реакция идёт с выделением тепла, возможны возгорания.
- Щелочные металлы (Na, K, Cs, Fr) реагируют с водой (образовавшейся при соединении водорода и кислорода) с выделением водорода и щелочи, что может привести к возгоранию или взрыву водородно-кислородной смеси.
- Водород и кислород при инициировании образуют воду с резким выделением энергии — классическое взрывное соединение в соотношении 2:1 по объёму.
¶Энергетика процесса
Общая энергия, выделяющаяся при реакциях всех элементов, огромна. Наиболее экзотермичны процессы образования оксидов, фторидов и карбидов. Оценки для полного окисления всех металлов указывают на выделение энергии, сопоставимой с крупным взрывным событием, однако точный расчёт невозможен из-за неопределённости условий.
Параллельно с химическими процессами возможны ядерные явления: некоторые пары нестабильных изотопов (например, полоний-210, калий-40, уран-235, плутоний-239) при достаточной плотности инициируют цепные реакции деления. Однако вероятность спонтанного достижения критической массы в случайной смеси мала.
¶Радиоактивность
Многие элементы таблицы нестабильны. В смеси окажутся:
- естественные радиоактивные элементы: уран, торий, радий, полоний;
- техногенные трансурановые элементы: плутоний, америций, кюрий и далее, вплоть до оганесона, существующего лишь в виде нескольких атомов.
Радиоактивное распад всех этих изотопов продолжится после реакций, делая смесь активным источником излучения на тысячи лет (для долгоживущих изотопов — на миллионы).
¶Что останется в итоге
После завершения основных реакций образуется сложная смесь соединений: оксиды, фториды, хлориды, сульфиды, карбиды, интерметаллиды и соли. Многие из них встретятся впервые в одной ёмкости, например цезий-платиновый интерметаллид или уран-фторид.
Термодинамически система стремится к наиболее стабильным соединениям: оксидам кислорода, фторидам фтора, хлоридам хлора. Благородные газы (гелий, неон, аргон) останутся инертными и просто вытеснятся из реакционной зоны.
¶Опасность
Такой гипотетический эксперимент сопряжён с множеством угроз:
- Взрыв при смешении водорода с кислородом или фтором.
- Пожар от реакции щелочных металлов с водой.
- Отравление токсичными парами: ртуть, фтор, хлор, мышьяк, кадмий, бериллий.
- Радиоактивное заражение местности.
- Коррозионная активность кислот и оксидов, разрушающая любую ёмкость.
В реальной лабораторной практике хранение всех элементов в одном месте запрещено правилами безопасности: несовместимые вещества разделяют, радиоактивные изолируют, пирофорные (пирофорный железо, цезий) хранят под инертной средой.
Источники:
- Менделеев Д. И. «Основы химии»
- Периодическая таблица химических элементов (IUPAC)
- Лидин Р. А. «Константы неорганических веществ»
- Хомченко Г. П. «Химия для поступающих в вузы»