Музыкальные группы могут выстраиваться в очередь за этим титулом, но только один элемент может претендовать на него. Или нет? О “тяжелых металлах” часто говорят в контексте горнодобывающей промышленности, некоторых отраслях и составе астероидов. Но какой металл самый тяжелый, и может ли этот рекорд быть побит в будущем?
Содержание
Что значит “тяжелый”?
Может показаться, что в вопросе “какой металл самый тяжелый?” нет никакой двусмысленности, но это не так. Во-первых, любой металл может быть самым тяжелым, если у вас его достаточно. Если бы вы каким-то образом создали отдельные горы из каждого металла на Земле, то железная гора была бы самой тяжелой просто потому, что у нас очень много железа – в конце концов, оно составляет большую часть земного ядра. Однако это, скорее всего, не то, что большинство людей имеют в виду.
Когда говорят о тяжести элемента, то обычно подразумевают либо вес его атома – количество нуклонов (протонов и нейтронов), необходимых для его создания, – либо его плотность. Эти два параметра связаны между собой и, как правило, растут вместе, но корреляция между ними не идеальна. Некоторые элементы с меньшим количеством нуклонов имеют электронные оболочки, которые позволяют им упаковываться более плотно, поэтому их плотность выше, чем у более богатых нуклонами элементов. Ниже мы рассмотрим оба этих параметра.
Что такое металл?
Более сложный вопрос: “Что такое металл?”, поскольку ответ во многом зависит от того, к какой области науки вы относитесь. Для астрономов металлами являются все элементы, кроме водорода и гелия. Когда 98 процентов массы большинства звезд приходится всего на два элемента, можно понять, почему остальные элементы объединяют в одну группу. У физиков, занимающихся более земными проблемами, определение более узкое. Сэр Невилл Мотт определил металлы как любое вещество, проводящее электричество при температуре абсолютного нуля (−273,15°C). У Мотта Нобелевская премия по изучению металлов, а у нас нет, поэтому мы не будем спорить, тем более что многие другие физики приняли его определение.
Тем не менее, некоторые элементы, которые обычно считаются неметаллами, проводят электричество под высоким давлением, причем при температурах, значительно превышающих абсолютный ноль. Например, свойства Юпитера лучше всего объясняются наличием моря проводящего водорода вокруг его ядра. Химики проводят линию, похожую на лестницу, по периодической таблице, причем металлы находятся слева, а неметаллы – справа. Признаются и некоторые спорные случаи – мышьяк, теллур и другие являются “металлоидами”, – что еще раз доказывает, что природа редко бывает настолько бинарной, насколько мы пытаемся ее представить.
Самое тяжелое ядро
Элемент с самым тяжелым ядром, который мы знаем, в значительной степени привлекателен. Оганесон имеет 118 протонов и 294 нуклона в единственном известном нам изотопе. В то же время, теннессин существует в двух изотопах, один из которых также имеет 294 нуклона, а другой – 293. Таким образом, если бы у вас были образцы, смешивающие все изотопы, оганесон был бы самым тяжелым металлом, потому что более легкий изотоп снизил бы средний вес теннессина. Поскольку, по мнению астрономов, оба эти элемента являются металлами, то, вероятно, побеждает оганесон, но можно назвать это ничьей, если хотите. Однако для химика теннессин является металлом, а оганесон – вероятно, нет.
Мы не знаем этого наверняка, поскольку период полураспада обоих элементов составляет доли секунды, поэтому мы не можем измерить их свойства, но по экстраполяции линия между металлами и неметаллами обычно разделяет эти два элемента, что делает теннессин самым тяжелым металлом. В конце концов, оганесон относится к столбцу благородных газов в таблице, представители которого обладают очень неметаллическими свойствами. С точки зрения физиков, вопрос еще сложнее. Ни один из элементов с самыми большими ядрами не существует достаточно долго, чтобы проверить их проводимость при комнатной температуре, не говоря уже о температуре, близкой к абсолютному нулю, так что кто знает?
Какой металл самый плотный?
Как уже говорилось выше, некоторые элементы плотно притягивают к себе электроны, поэтому их атомы можно упаковать настолько плотно, что образец такого элемента может быть тяжелее образца того же размера, состоящего из элемента, расположенного дальше в таблице Менделеева. Проблема в том, что для многих элементов мы не знаем их плотности, поскольку, опять же, мы получили лишь крошечные их количества, и они недолговечны. Предположения о плотности некоторых синтетических элементов были сделаны на основе кажущегося сходства их кристаллической структуры со структурой элементов, расположенных над ними в периодической таблице.
Основываясь на этом, можно предположить, что гассий и мейтнерий имеют плотность 27-29 граммов на кубический сантиметр (то есть в 27-29 раз тяжелее такого же объема воды). Ожидается, что элементы с большим атомным номером будут менее плотными, в некоторых случаях значительно. Опять же, все науки сходятся во мнении, что оба эти элемента являются металлами, поэтому ответ сводится к одному из них. Среди элементов, плотность которых мы действительно измеряли, источники расходятся во мнениях.
Иридий и осмий (которые, что не случайно, находятся прямо над гассием и мейтнерием в периодической таблице) явно занимают первые два места, оба – около 22,6 г/см3 при комнатной температуре, но измерения различаются во втором знаке после запятой настолько, что вопрос о том, кто из них плотнее, остается открытым. Тем не менее, очевидно, что по этому показателю эти два элемента лидируют, и оба они, безусловно, являются металлами.
Что дальше?
Все это основано на известных нам элементах. Однако периодическая таблица расширяется с момента своего создания. С 1940-х годов мы синтезировали более 20 элементов, не встречающихся в природе, и нет никаких оснований полагать, что на этом мы остановимся. Существуют доказательства существования “острова стабильности“, где гораздо более тяжелые элементы смогут существовать с более длительным периодом полураспада. Все эти элементы будут металлами для астрономов и почти наверняка будут соответствовать критериям химиков и физиков.
Читайте также: Ближайшая молодая планета размером с Землю наполовину состоит из лавы и жидкого металла
