Co mají společné prvky v přírodě: výskyt a vlastnosti

Kovy tvoří společně s polokovy a nekovy tři hlavní skupiny chemických prvků. Rozdělení je prováděno s ohledem na vazebné a ionizační vlastnosti prvků.

Kovy: Vlastnosti, výskyt a využití

Kovy jsou hojně průmyslově využívány pro svoje ojedinělé fyzikální vlastnosti a pro snadnou zpracovatelnost. Vysoká elektrická a tepelná vodivost je pro kovy typická. S rostoucí teplotou se elektrická vodivost snižuje, resp. stejnorodé směsi obsahující více než 1 kov se nazývají slitiny.

Většina kovů se v přírodě vyskytuje v podobě oxidů, některé - zejména těžší kovy, jako rtuť a olovo - se vyskytují jako sulfidy. Jenom některé - zejména vzácné kovy a tzv. mincovní kovy - se vyskytují v ryzím kovovém stavu, neboť patří mezi chemicky nejstabilnější. Právě pro nízkou chemickou reaktivitu se používají v mincovnictví a klenotnictví, neboť nekorodují.

Získávání kovů

Získávání kovů je založena na redukci jejich oxidů (při redukci dochází ke snížení ox. čísla). Dobrým redukčním činidlem je uhlík, kterým lze redukovat většinu kovů kromě těch, které se s ním slučují za vzniku karbidů. Z dalších rud lze použít uhličitany nebo sulfidy, popř. halogenidy. Mnohé kovy se připravují elektrolýzou taveniny halogenidů, hydroxidů nebo oxidů. Slitiny se připravují smíšením dvou nebo několika roztavených kovů, které vytvoří homogenní kapalnou směs. Ta dodatečným snížením teploty ztuhne.

Toxické kovy

Toxické kovy jsou kovy (antropogenního nebo přirozeného původu, avšak ve vyšší koncentraci než je optimální) mající toxické účinky. Mezi toxické kovy jsou řazeny např.: kadmium, rtuť, olovo.

Čtěte také: Co přináší nová norma pro dieselové emise?

Syntetické prvky

Technecium a všechny prvky s atomovým číslem vyšším než plutonium vznikají v jaderných reaktorech nebo urychlovačích zatímco promethium se vyskytuje jen ve stopových množstvích jako produkt spontánního štěpení uranu.

Předposlední den minulého roku informovala Unie pro čistou a užitnou chemii, že uznala objev čtyř nových supertěžkých prvků s protonovým číslem 113, 115, 117 a 118.

Stavba atomu a chemické vlastnosti prvků

Víme, že veškerá hmota okolo nás i v nás je tvořena atomy. Ty se skládají z velice malého jádra, ve kterém je soustředěna téměř veškerá jeho hmota a lehkých elektronů, které se nacházejí v prostoru, který je téměř sto tisíckrát větší, než je rozměr jádra. Jádro se pak skládá z protonů a neutronů, které mají zhruba stejnou hmotnost. Tyto dvě částice se označují společným názvem nukleon.

Protony mají elektrický náboj a neutrony jsou elektricky neutrální. Proton nese úplně stejný náboj, jako elektron. Jak elektrony, tak protony a neutrony jsou fermiony. Tedy částice, pro které platí Pauliho vylučovací princip a nemohou být dvě ve stejném stavu.

Elektrony tak mohou být v atomu jen ve stavech s danými diskrétními hodnotami energie. Kvantová fyzika nedovoluje v některých případech spojité hodnoty některých veličin. Zároveň se hladiny grupují do skupin, které mají blízké hodnoty energií, tzv. energetických slupek. Mezi slupkami je naopak velký rozdíl v energii. Zároveň se opakují slupky s podobnými vlastnostmi. Zmíněné energetické hladiny se obsazují postupně.

Čtěte také: Alternativní pohon LPG

A právě popsané vlastnosti vedou k tomu, že můžeme pozorovat periodicky se opakující změny chemických vlastnosti v závislosti na růstu počtu protonů a tedy i hmotnosti atomů, které popsal pomocí své tabulky Dmitrij Ivanovič Mendělejev. Nalezení nových prvků, jejichž vlastnosti odpovídaly předpovědím pro prázdná místa, pak potvrdilo správnost Mendělejevovy tabulky. V jeho době, rok 1869, bylo známo pouze 62 prvků a v Mendělejevově tabulce byla řada bílých míst.

Chemické vlastnosti prvků jsou tak určeny a lze je předpovídat právě na základě jejich polohy v této tabulce. V ní je nyní sedm period a prvky v každé periodě mají podobné vlastnosti těm, které leží v předchozí periodě na stejném místě.

Jádro daného prvku má přesně daný počet protonů, ale může mít různý počet neutronů. Mluvíme pak o různých izotopech tohoto prvku. Jádra různých izotopů mohou být stabilní, ale většinou jsou nestabilní a rozpadají se.

Stabilita jader

Čím je dána míra stability jader? Závisí na poměru mezi počtem protonů a neutronů. Nabité částice se stejným nábojem se vzájemně odpuzují. V jádře tak musí působit kromě odpudivé elektrické síly ještě jiná, přitažlivá síla. Tou je silná jaderná síla, která působí jak u protonů, tak i neutronů.

Zatímco elektrická síla sice klesá se vzdáleností, ale působí v principu na nekonečnou vzdálenost, silná jaderná interakce působí jen do vzdálenosti srovnatelné s rozměrem nukleonu. Zatímco protony se elektrickou interakcí odpuzují se všemi ostatními protony v jádře, protony a neutrony se mohou jadernou silou přitahovat pouze s velmi omezeným počtem nukleonů. To vede k tomu, že pro udržení stability jádra se musí počet neutronů zvyšovat rychleji než počet protonů.

Čtěte také: Látky znečišťující ovzduší a jejich vliv na zdraví

Lehká jádra jsou tak stabilní, pokud mají počet protonů zhruba stejný jako počet neutronů. Těžká jádra pak musí mít počet neutronů větší, u těch supertěžkých až o 70 %. Tyto vlastnosti vedou k tomu, že nejtěžší prvek, který má alespoň jeden stabilní izotop, je olovo. Bismut už stabilní izotop nemá, i když izotop 209Bi má poločas rozpadu 2∙1019 let, což extrémní hodnota.

Stejně jako elektronů v atomu nejsou energie jednotlivých hladin rozděleny rovnoměrně, ale dostáváme slupky s hladinami s blízkými hodnotami energie a velkým rozdílem energie mezi slupkami. Protony tvoří jeden systém slupek a neutrony druhý. Jak bylo zmíněno, jsou protony a neutrony fermiony, tedy nesnášenlivé částice, které v jádře obsazuji postupně stále vyšší energetické hladiny.

Dostáváme tak také vysokou stabilitu jader pro určité počty protonů a neutronů, kdy dochází k uzavření konkrétních slupek. Tyto počty neutronů nebo protonů se označují jako magická čísla. Ta jsou 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 … Zároveň mají neutrony i protony tendenci se párovat. Tedy sudý počet neutronů nebo sudý počet protonů zvyšuje stabilitu jádra. Nejstabilnější jsou tak magická sudo-sudá jádra. Bez této vlastnosti by nebyla možná existence supertěžkých prvků.

Právě následující magická čísla v počtu neutronů a protonů by měla umožnit existenci ostrova stability na mapě různých jader. Předpověď, kde tento ostrov přesně leží, je však velmi náročné. Supertěžká jádra by nemusela mít kulový tvar, jeho přesný popis není znám a deformace jádra může silně ovlivnit hodnoty magických čísel, polohu ostrova stability a poločasy rozpadu jader, které na něm leží. Nejsou vyloučeny i velmi dlouhé poločasy rozpadu supertěžkých prvků, které by umožnily jejich výskyt v přírodě. Ale je to spíše nepravděpodobné.

Vznik supertěžkých jader

Existují tři možnosti, jak produkovat supertěžká jádra. První je ozařování intenzivním tokem neutronů, při nich vznikají izotopy s vyšším počtem neutronů. V nich se přeměnou beta může neutron změnit na proton a vzniká chemický prvek s protonovým číslem o jednotku větším. Klasickým příkladem je vznik plutonia 239 v reaktoru. Tam se izotop uranu 238 záchytem přemění na uran 239 a ten se rozpadem beta přemění na neptunium 239 a dalším rozpadem beta na plutonia 239.

Další možností je slučování postupně stále těžšího projektilu s těžkým terčovým jádrem. Zde jsou tři možnosti. První je slučování lehkých urychlených jader s těžkým terčíkovým jádrem. Druhou možností je pak tzv. studená fúze. V tomto případě se velmi stabilní jádro, které má počet neutronů i protonů rovné nebo blízké magickým. Toto jádro má velmi vysokou vazebnou energii. Proto se značná část energie, kterou do složené jádra vnese projektil, spotřebuje na kompenzování této vazebné energie. Vzniklé složené jádro má tak nízký přebytek energie, kterého se musí zbavit. Stačí tak vyzáření několika fotonů případně pár neutronů. Je tak menší pravděpodobnost, že se složené jádro rozpadne nebo z něj vyletí protony.

Třetí možností je tzv. horká fúze. V tomto případě se používají ta nejtěžší jádra, která tak mají počty neutronů a protonů vzdálená od magických. V tom případě je přebytek energie větší a vyzářených gama fotonů i neutronů je více. Je také vyšší pravděpodobnost, že se vzniklé složené jádro rozpadne nebo ztratí i nějaké protony.

V přírodě vznikají supertěžké prvky při výbuchu supernovy. Při něm se produkují velmi intenzivní toky neutronů a předpokládá se, že vznikají i velmi těžké supertěžké prvky, i takové, které se nám zatím v laboratoři vyrobit nepodařilo. Tyto supertěžké prvky se dostaly do prachoplynných mlhovin, ze kterých se později vytvořila i naše Sluneční soustava.

Výskyt supertěžkých prvků v přírodě

Supertěžké prvky tak můžeme hledat v přírodě. Problém je, že můžeme pozorovat pouze ta jádra, která se od doby vzniku Sluneční soustavy nerozpadla. Stáří Sluneční soustavy je zhruba 4,5 miliardy let. To znamená, že na Zemi lze najít pouze izotopy velmi těžkých prvků, které mají poločas rozpadu v řádu stovek milionů let a více.

Na zemi tak můžeme najít thorium 232, které má poločas rozpadu 14 miliard let, uran 238 s poločasem rozpadu 4,5 miliard let a uran 235 s poločasem rozpadu 0,7 miliardy let. Poměr mezi zastoupením uranu 238 a uranu 235 je dán právě poločasy rozpadu těchto izotopů a dobou existence Sluneční soustavy. Při výbuchu supernovy vzniklo zhruba stejné množství obou izotopů uranu.

Zatímco uranu 238 se do současnosti rozpadla pouze polovina, uranu 235, který má mnohem kratší poločas rozpadu, se už rozpadla většina a jeho zastoupení v uranových rudách je pouze 0,7 %. Nejstabilnější izotop plutonia má 244 nukleonů a jeho poločas rozpadu je pouhých 80 milionů let.

Objevila se studie, že se stopy tohoto izotopu objevily v přírodních rudách. Protože by však mohlo tvořit pouze okolo 10-17 ve srovnání s izotopy uranu, zdá se jeho výskyt na zemi jen těžko zjistitelný a výsledky dané studie jsou nejspíše chybné. V přírodě se zatím žádné supertěžké prvky nenašly, takže lze usuzovat na to, že jejich poločasy rozpadu jsou menší než stovky milionů let.

Výroba transuranů

Řada transuranů, což jsou prvky těžší než uran, se dá získat pomocí reaktorů. V nich je relativně vysoká intenzita toku neutronů. Jejich záchytem na jádrech různých izotopů uranu a následnými rozpady beta lze získat neptunium, plutonium, americium a další transurany.

Ve čtyřicátých letech, kdy začali vědci na produkci prvních transuranů pracovat, ještě potřebné reaktory nebyly. Poprvé se tak transurany vytvořily ozařováním uranu pomocí lehkých jader urychlených na prvních urychlovačích. V roce 1940 ozařovali američtí fyzikové G. T. Seaborg, J. W. Kennedy, E. M. McMillan a A. C. Wahl v laboratoři v Berkeley uran 238 deuterony a podařilo se jim vytvořit izotop neptunia 238, který se s poločasem rozpadu 2,1 dne měnil na plutonium 238. Tak se získaly první dva transurany, tedy prvek s 93 a 94 protony.

Když už byly k dispozici terčíky z plutonia, podařilo se postupně získat prvek 95 americium, 96 curium a 97 berkelium. Pomocí terčíku z curia se podařilo připravit prvek 98 kalifornium. Poslední dva prvky do celkové stovky se v roce 1952 podařilo najít v produktech jaderných výbuchů. Při nich vznikají velmi intenzivní toky neutronů, které ve využívaném uranu 235 nebo plutonium 239 vyprodukují velké množství různých transuranů. Jednalo se o prvek 99 einsteinium a 100 fermium.

V roce 1952 se také podařilo ozařováním mikrogramového terče z einsteinia 253 částicemi alfa získat prvek 101 mendělejevium. Na všech těchto objevech měli dominantní podíl G. Seaborg a E. M. McMillan.

V padesátých, šedesátých a sedmdesátých letech pak nastalo dlouhé období hledání a sporů okolo prvků s protonovým číslem 102 až 106 hlavně mezi ruskou (SÚJV Dubna) a americkou (LBNL v Berkeley) laboratoří. Nové prvky se získávaly ozařováním terčů z transuranů (curia, americia a kalifornia) pomocí svazků uhlíku, kyslíku a dusíku. Pravděpodobnost produkce byla malá, jejich poločas rozpadu velmi krátký a získat dostatečné množství pro chemickou analýzu byl velký problém. Ohlašované objevy tak nebyly dostatečně průkazné. Spory trvaly nakonec až do roku 1997, kdy teprve IUPAC rozsoudil prioritu objevů a pojmenování těchto prvků.

Zlom se podařil skupině v laboratoři GSI Darmstadt pod vedením P. Armbrustera a G. Műzenberga a později S. Hofmanna. Ti se rozhodli využívat studenou fúzi s využitím terče z izotopu olova, který má 82 protonů a 126 neutronů, což jsou obě magická čísla a bismutu 209 s 83 protony a 126 neutrony. Je však třeba zmínit, že využití studené fúze první navrhli vědci s laboratoře SÚJV Dubna. V GSI se vybudovalo zařízení SHIP, které umožňovalo spolehlivě identifikovat jednotlivá jádra supertěžkých prvků.

Princip spočíval v tom, že se detekovaly všechny alfa částice vyzářené v kaskádě postupných rozpadů. Na konci kaskády jsou známá jádra, která lze podle průběhu rozpadu spolehlivě identifikovat. Je tak znám konec kaskády a počet vyzářených alfa částic umožňuje bezrozporně identifikovat počáteční jádro kaskády rozpadů.

Pravděpodobnost produkce stále těžších prvků je velmi malá a bylo potřeba dosáhnout velmi vysoké intenzity svazku a posléze velmi efektivní separaci příslušných jader s přesně definovaným počtem protonů a neutronů a jejich identifikaci popsaným způsobem. Intenzita svazku využívaného urychlovače v GSI Darmstadt byla v řádu 1012 projektilů za sekundu. Taková intenzita svazku velice intenzivně ohřívá terč. Olovo a bismut mají navíc velmi nízkou teplotu tavení.

Proto se používaly rotující terče, kdy se ohřívala postupně různá místa terče a bylo možné zajistit velice efektivní odvod tepla z něj. Vzniklá složená jádra se následně dostala systému, který pomocí elektrických a magnetických polí a detektorů určujících dobu letu vybíral jádra s přesně definovaným počtem neutronů a protonů. Ta se implantovala do fólie obklopené soustavou křemíkových pozičně citlivých detektorů. Ty zaznamenaly všechny částice alfa a určily jejich energii a čas jejich vyzáření. Systém bývá doplněn polovodičovými detektory gama a rentgenovského záření, které umožňují detekovat fotony gama, jejichž emisí se jádra zbavují přebytečné energie a rentgenovského záření z atomového obalu identifikujícího příslušné prvky.

V průběhu osmdesátých a devadesátých let se v GSI Darmstadt postupně podařilo pomocí studené fúze vyprodukovat prvky s protonovým číslem 107 až 112 (bohrium, hassium, meitnerium, darmstadtium, roentgenium a kopernicium). Je však třeba připomenout, že hlavně první z těchto prvků byly, a někdy i dříve, produkovány v SÚJV Dubna. Ovšem výsledky z GSI Darmstadt byly označeny za ty rozhodující pro spolehlivou identifikaci. Právě v SÚJV Dubna byla řada jiných izotopů těchto prvků pozorována pomocí horké fúze. Jak si však popíšeme dále, byla u této metody spolehlivá identifikace mnohem složitější.

Olovo 208 a bismut 209 jsou poměrně lehká jádra a mají daleko menší přebytek neutronů, než by se hodil pro supertěžká jádra a cestu do blízkosti ostrova stability. Produkovaná jádra jsou tak hodně daleko od něj a mají velmi malou stabilitu a velice krátké poločasy rozpadu. Zároveň se pro produkci stále těžších prvků musí používat projektily se stále větším počtem protonů a odpudivá elektrická síla mezi projektilem a terčem se tak rychle zvětšuje a pravděpodobnost produkce složeného jádra prudce klesá. Za současných podmínek se tak hraničními prvky pro studenou fúzi jeví ty s protonovým číslem 113 a 114.

O prvek 113 se v GSI Darmstadt pokoušeli, ale podařilo se to nakonec až v japonské laboratoři RIKEN. Jestli se někdy touto metodou podaří připravit prvek 114, je otázka otevřená.

Obrovskou výhodou studené fúze je, že se produkují takové izotopy supertěžkých prvků, jejichž rozpadové řady končí u známých izotopů lehčích transuranů. Naopak při horké fúzi umožňuje využití terčů z transuranů získat větší přebytek neutronů. Ovšem jejich rozpadové řady končí buď samovolným štěpením, nebo u relativně dlouhodobého izotopu lehčího transuranu. Ovšem takového, který je úplně nový a neznámý.

Bez využití horké fúze a vyřešení problémů, které jsou s ní spojené, se k prvkům s protonovým číslem větším než 113 nelze dostat. Metodu využití horké fúze nejvíce rozvinuli právě v SÚJV Dubna pod vedením Jurije Oganessiana. Kritické pro ni je získání vhodných terčů ze stále těžších transuranů. Je potřebné, aby tyto transurany měly co nejdelší poločas rozpadu a bylo možné je v dostatečném množství vyprodukovat.

Zastoupení chemických prvků

Rozložení chemických prvků na Zemi a ve vesmíru se výrazně liší. Na Zemi je nejhojněji zastoupeným prvkem v zemské kůře kyslík, který je nezbytný pro tvorbu hornin a minerálů. Ačkoli je v zemské kůře zastoupen méně, v zemském jádře převládá železo, které je celkově nejrozšířenějším prvkem z hlediska hmotnosti.

Naproti tomu vesmír vypráví jiný příběh; vodík, nejjednodušší a nejlehčí prvek, vládne a tvoří přibližně 75 % hmotnosti prvků ve vesmíru. Následuje helium, které tvoří asi 24 %. Prvotní vznik vodíku a helia během velkého třesku vysvětluje jejich kosmické množství.

Uhlík

Uhlík je znám už velmi dlouho (jako dřevěné uhlí a saze; použití sazí na výrobu inkoustu bylo známo už ve starém Egyptě), ale jako prvek byl rozpoznán až v 18. století. Přírodní uhlík se skládá z 98,89 % 12C, 1,11 % 13C a stop radioaktivního 14C, který vzniká v horních vrstvách atmosféry reakcí 147N (n, p)146C a rozpadá se s poločasem 5715 ± 30 let za emise elektronu. Poskytuje možnost určení stáří reliktů rostlin nebo živočichů (do 50 000 let).

Četností výskytu v zemské kůře je až 17. prvkem (180 ppm). Spolu s vodíkem je základní složkou živých organismů. V přírodě existují cykly v koloběhu uhlíku v mořích a na pevnině a spojení mezi nimi je zajištěno atmosférou. V důsledku stále intenzivnější technologické činnosti lidstva exponenciálně stoupá produkce oxidu uhličitého, což může mít za následek vážné narušení rovnovážného stavu v těchto systémech (zvyšující se obsah CO2 v atmosféře může způsobit skleníkový efekt spojený se zvyšováním průměrné teploty na Zemi, změnou pH moří se ovlivní i rozpustnost některých minerálů).

Uhlík je obsažen v litosféře, hydrosféře i atmosféře. Je popsáno nejméně šest (bez započtení fullerenů) dobře definovaných alotropických modifikací, z nichž nejvýznamnější jsou diamant a grafit. Oba se vedle velkého množství anorganických i organických sloučenin nacházejí v přírodě (největší přírodní diamant nazvaný Cullinan byl nalezen v roce 1905 a váží 3106 karátů, názvy má řada dalších kamenů o hmotnosti 100-800 karátů; 1 karát = 0,2 g).

Neodym

Chemický prvek neodym je měkký, stříbřitě bílý kov. Neodym je chemicky poměrně reaktivní prvek. Při styku se vzdušným kyslíkem se okamžitě pokrývá modrou vrstvou oxidu neodymitého Nd2O3. Ve sloučeninách vystupuje neodym obvykle v oxidačním stavu III. Chemické vlastnosti a chování sloučenin trojmocného neodymu jsou značně podobné sloučeninám hliníku. Sloučeniny dvoumocného neodymu jsou nestabilní a samovolně se oxidují.

V přírodě se neodym vzácně nalézá společně s ostatními lanthanoidy v monazitu a některých fosfátech. Neodym jako jeden z mála lanthanoidů vytváří samostatné minerály, např. wakefieldit NdVO4, churchit Nd(PO4)·2H2O, synchysit CaNd(CO3)2F nebo kalcioancylit CaNd(CO3)2(OH)·H2O. Nejvyšší obsah neodymu (65,2% Nd) ze všech nerostů má minerál hydroxylkarbonát Nd(CO3)(OH). Průměrný obsah neodymu v zemské kůře je 37 ppm.

Výroba neodymu se provádí obdobně jako výroba ostatních lantahanoidů loužením lanthanoidových rud směsí minerálních kyselin. Z výluhu se kovy vysrážejí přídavkem alkalických hydroxidů. Neodym se využívá k výrobě velmi silných permanentních magnetů, krystalů pro infračervené lasery a k obarvování skla a glazur na fialovou nebo temně červenou barvu. Neodym je také důležitou složkou moderních lehkých slitin na bázi hořčíku. Oxid neodymitý Nd2O3 se používá k barvení skel slunečních a svářečských brýlí.

tags: #co #mají #společné #prvky #v #přírodě

Oblíbené příspěvky:

• Jak správně nahlásit NO v ČR
• Vratné lahve: Ekologické řešení
• Sprcha vs. koupel: Co je ekologičtější?
• Měkké plasty a recyklace v ČR
• Definice a Legislativa Emisí Způsobených Vypařováním