Почему нельзя объединить все элементы периодической таблицы в одно соединение

Причина такой невозможности затрагивает нечто фундаментальное в природе реальности.

“Есть сурьма, мышьяк, алюминий, селен…” – так начинается песня Тома Лерера “Элементы”. С момента её создания человечество синтезировало несколько искусственных элементов в дополнение к 92, встречающимся в природе. Сейчас известно 118 элементов, и люди периодически задаются простым, но глубоким вопросом: можно ли создать молекулу, содержащую все элементы?

Ответ, поначалу, прост и скучен: нет. Но причины, по которым это невозможно, сложны и разнообразны – некоторые связаны с химической структурой, другие с нестабильностью, а также с фундаментальными законами физики, с которыми лучше не спорить.

Пан-атомная молекула

Вместо того чтобы рассматривать, почему мы не можем собрать такую молекулу, давайте представим, что мы все-таки могли бы создать ее неким магическим образом, и посмотрим, как быстро она распадется. Итак, от оганесона до водорода, наша долгожданная прекрасная пан-атомная молекула появляется перед нашими глазами. Но прежде чем мы успеем ее оценить и восхититься, мы увидим яркие вспышки света, пламя и немало ядовитого газа. На полу останется сажа, ржавчина и немного металлов.

Главная причина распада молекулы в том, что многие тяжелые элементы нестабильны. Тот же оганесон, элемент номер 118, имеет период полураспада 0,7 миллисекунды. Номер 116, ливерморий, может существовать в десять раз дольше, но все равно едва превышает порог человеческого восприятия временного интервала. Эти молекулы будут распадаться прежде, чем мы это осознаем, вдобавок более тяжелые элементы, распадаясь, могут запустить цепную реакцию с радиоактивными элементами, которые более стабильны. Бабах, вспышка, шипение…

Проблема с химией

Поскольку магия нереальна, хорошим способом создания такой молекулы было бы собрать ее из мельчайших компонентов. Начнем с водорода, самого легкого и распространенного элемента во Вселенной. Мы можем найти его повсюду, и он дружит со многими другими элементами. Отличный выбор для начала. А затем мы встречаем гелий. Второй самый легкий элемент является благородным газом, классом элементов, которым не нужно создавать молекулярные соединения, так как у них нет проблем со стабильностью.

При определенных условиях, например в космосе, гелий и другие благородные газы могут входить в состав соединений. Стабильное соединение гелия было создано несколько лет назад, но только под невероятным давлением.

Говоря проще, химические элементы соединяются, обмениваясь электронами или отдавая их друг другу, чтобы их электронные орбитали находились в наиболее стабильных конфигурациях. Некоторые элементы отчаянно стремятся к этому и очень реактивны; другие, как благородные газы или золото и платина, не очень.

Все сводится к термодинамике

А что если взять все стабильные элементы и смешать их вместе? Или, может быть, расплавить их в единое целое под давлением и дать остыть? Разве это не сработает?

К сожалению, конечного повелителя всех гипотетических экспериментов в физике победить нельзя. Мы, конечно же, говорим о термодинамике.

Системы во Вселенной стремятся к равновесию и к нахождению в состоянии с наименьшей возможной энергией. Пытаетесь ли вы просто склеить элементы друг с другом или расплавить их в каком-то особом тигле, термодинамика победит. Меньшие, более простые соединения будут стабильнее и легче в создании, чем более сложные.

Это не значит, что нельзя создать разнообразные и сложные соединения. Есть примеры природных веществ, показывающих, что сложность существует. Возьмем, например, витамин B12. Он состоит из шести различных элементов: углерода, водорода, азота, кислорода, кобальта и фосфора. Или минерал сфалерит, чья базовая структура сульфида цинка может включать примеси других элементов, где вместо цинка могут быть кадмий, ртуть, марганец, галлий, германий и индий, а вместо серы – селен и теллур.

Но молекула с шестью различными элементами или минерал с потенциалом для множества примесей не подразумевают возможной эту пан-атомную молекулу, которую мы хотим. Природа просто не хочет, чтобы мы были коллекционерами полных наборов.