Σάββατο, 28 Μαΐου 2016

Υττέρβιο: ακριβοθώρητο και ακριβές

Υττέρβιο: ακριβοθώρητο και ακριβές

Υττέρβιο: ακριβοθώρητο και ακριβές

Ανήκει στις σπάνιες γαίες, η παγκόσμια παραγωγή του είναι πολύ μικρή, μας δίνει όμως ισχυρούς πυκνωτές και συσκευές λέιζερ καθώς και ατομικά ρολόγια υπερ-ακριβείας
  Μικρό βιογραφικό για το στοιχείο υττέρβιο. Κάθε Κυριακή «Το Βήμα» μάς ταξιδεύει και σε μιαν άλλη γωνιά του περιοδικού πίνακα.
Βίος και πολιτεία
Το υττέρβιο είναι ένα όχι πολύ κοινό σχετικά μέταλλο, που ανήκει στην ομάδα με το κάπως παραπλανητικό όνομα «σπάνιες γαίες» ή το πιο γριφώδες «λανθανίδες». Μας δίνει όμως την ευκαιρία, μεταξύ άλλων, να γνωρίσουμε έναν κανόνα της Χημείας που δεν είναι και πολύ γνωστός, αν και διατυπώθηκε στις αρχές του προηγούμενου αιώνα. Ο λόγος για τον κανόνα Οντο-Χάρκινς που αναφέρει ότι: «Ενα στοιχείο του περιοδικού πίνακα με ζυγό ατομικό αριθμό είναι πιο άφθονο στο Σύμπαν από ό,τι το προηγούμενο και το επόμενό του στον πίνακα». Αυτό δεν είναι κάποια πολύ καινούργια διαπίστωση. Διατυπώθηκε από τον Τζουζέπε Οντο το 1914 και τον Ουίλιαμ Ντρέιπερ Χάρκινς το 1917.
Καθώς τα στοιχεία που σχηματίζονταν διαδοχικά μετά τη Μεγάλη Εκρηξη αποκτούσαν όλο και περισσότερα πρωτόνια στον πυρήνα τους, γίνονταν σπανιότερα. Αλλά και από αυτά αποδείχθηκε πως μερικά ήταν πιο σπάνια από άλλα. Αν έφτιαχνες μια γραφική παράσταση με τα πρωτόνια του κάθε στοιχείου στον οριζόντιο άξονα και την ποσότητάς του στοιχείου στον κάθετο θα προέκυπτε μια γραφική παράσταση που θα θύμιζε τα δόντια ενός πριονιού. Με τα ζυγά στοιχεία στις κορυφές και τα μονά στις κοιλάδες ενώ υπάρχουν ελάχιστες εξαιρέσεις.
Γιατί αυτό; Αστρα σε όλο το Σύμπαν, όπως και ο δικός μας ο Ηλιος, ξεκινούν σαν νεφελώματα υδρογόνου, που όσο όμως περνάει ο χρόνος συμπυκνώνονται και αρχίζει στο κέντρο τους, λόγω της βαρυτικής έλξης των μαζών τους, να δημιουργείται ένας πυρήνας πιο πυκνός από άτομα που απωθούνται όμως γιατί τα πρωτόνια δυο γειτονικών υδρογόνων έχουν το ίδιο φορτίο. Αυτό συνεχίζεται έως ότου υπάρξει μια τέτοια αύξηση στη θερμοκρασία και τέτοια πίεση ώστε έρχονται κοντά υπερνικώντας την άπωσή τους και τότε εμφανίζεται μια άλλη δύναμη που τα συγκρατεί πλέον μαζί δημιουργώντας έναν νέο πυρήνα, οπότε έχει επιτευχθεί ό,τι αποκαλούμε σύντηξη. Δημιουργείται δηλαδή ένας νέος πυρήνας με δύο πρωτόνια και δύο ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω από αυτόν τον πυρήνα, άρα έχουμε ένα νέο άτομο. Το άτομο του στοιχείου ήλιον.
Οι συντήξεις συνεχίζονται έως ότου σχεδόν όλο το υδρογόνο «ξοδεύεται» και έχουμε τον αντίστοιχο σχηματισμό ατόμων ηλίου. Είναι εύκολο να καταλάβουμε τώρα πως αν αρχίσουν να συντήκονται τα άτομα του ηλίου παράγοντας άλλα στοιχεία, αυτά πλέον θα έχουν ζυγό αριθμό πρωτονίων, άρα ζυγούς ατομικούς αριθμούς. Τότε όμως πώς προκύπτουν και τα άλλα με μονούς ατομικούς αριθμούς; Από τα κάποια λίγα υδρογόνα που ίσως απέμειναν και κυρίως από περιπλανώμενα νετρόνια! Ναι, τα νετρόνια, όντας ηλεκτρικά ουδέτερα, μπορούν να πλησιάσουν τα πρωτόνια στον πυρήνα. Είναι όμως και ασταθή, οπότε κάποια στιγμή μετατρέπονται σε πρωτόνια, αφήνοντας ελεύθερο ένα ηλεκτρόνιο που από τον πυρήνα μεταναστεύει στις εξωτερικές στοιβάδες και έχουμε τη δημιουργία ενός στοιχείου που βρίσκεται στην αμέσως επόμενη θέση του περιοδικού πίνακα. Νετρόνια περιπλανώμενα υπάρχουν στο εσωτερικό ενός άστρου αλλά σίγουρα είναι μεγαλύτερη η παραγωγή στοιχείων με ζυγό αριθμό πρωτονίων, άρα και ζυγό ατομικό αριθμό. Ετσι έχουμε μεγαλύτερη παραγωγή στο Σύμπαν στοιχείων με ζυγό ατομικό αριθμό αλλά όχι παραγωγή αποκλειστικά τέτοιων. Και στην περίπτωση του υττέρβιου ισχύει ο κανόνας Οντο-Χάρκινς, με αυτό να σημαίνει ότι είναι πιο άφθονο από ό,τι το προηγούμενο στον πίνακα στοιχείο και από το επόμενο, δηλαδή από το θούλιο και από το λουτήτιο, αντιστοίχως.
Γιατί το είπαν έτσι
To Ytterby είναι μια τοποθεσία στο αρχιπέλαγος που βρίσκεται έξω από τη Στοκχόλμη, την πρωτεύουσα της Σουηδίας, κάτι αντίστοιχο με τον δικό μας Σαρωνικό και τα νησιά του. Στα σουηδικά Ytter σημαίνει «ακραίο» και By(=μπι) χωριό. Στο ακραίο αυτό χωριό λοιπόν υπήρχε ένα ορυχείο, όπως έχουμε αναφέρει και με αφορμή άλλο στοιχείο, από όπου δείγματα ορυκτών έφθασαν το 1794 στα χέρια του διάσημου σουηδού χημικού Καρλ Αξελ Αρένιους (1757-1824). Εκείνος κατάλαβε ότι εκεί μέσα πρέπει να υπήρχε τουλάχιστον ένα νέο στοιχείο, έδωσε δείγμα σε άλλον χημικό και άρχισαν να προκύπτουν κάθε φορά που άλλαζαν χέρι αυτά τα δείγματα και νέα στοιχεία. Ετσι το 1878 ο ελβετός χημικός Ζαν-Σαρλ Γκαλισάρ ντε Μαρινιάκ (1817-1894) κατάφερε να εντοπίσει, χωρίς είναι η αλήθεια και να το πάρει εντελώς καθαρό, ένα στοιχείο που ονόμασε, εξαιτίας της καταγωγής του δείγματος, υττέρβιο. Εντελώς καθαρό το μέταλλο αυτό μπόρεσαν να το έχουν οι χημικοί μόλις το 1953.
Αριθμοί κυκλοφορίας
Ατομικός αριθμός: 70
Ατομικό βάρος: 173.04
Σημείο τήξης: 824οC
Σημείο ζέσης: 1.193οC
Πυκνότητα: 6.97 gr/cm3
Αριθμός ισοτόπων: 34
Τι θέλει από τη ζωή μας
Οχι πολλά πράγματα, και είναι δύσκολο να ξεχωρίσει η επίδραση καθενός από τα στοιχεία που ανήκουν στην ομάδα των λανθανιδών διότι έχουν πολύ κοντινές τιμές σε διάφορα χαρακτηριστικά μεγέθη. Πάντως, επειδή στην Κίνα αφθονούν όλα αυτά τα στοιχεία που ανήκουν στις λανθανίδες και υπάρχει ενδιαφέρον για την επίδρασή τους σε ζωντανούς οργανισμούς, μια ομάδα κινέζων ερευνητών σε σχετική εργασία (link.springer.com/article/10.1007%2Fs10973-007-8510-0#page-1) από το 2007 είχε διαπιστώσει ότι το υττέρβιο δημιουργούσε προβλήματα σε μονοκύτταρους οργανισμούς που ζούσαν στο νερό και ήταν δείκτες καλής ποιότητας. Είχαν μάλιστα διατυπώσει την άποψη ότι η τοξικότητά του οφείλεται στην προσβολή της κυτταρικής μεμβράνης.
Πόλεμος και ειρήνη
Η κύρια χώρα εξόρυξης του στοιχείου αυτού είναι η Κίνα ενώ μεγάλα κοιτάσματα διαθέτουν οι Ηνωμένες Πολιτείες, Βραζιλία, Ινδία, Αυστραλία, Γροιλανδία και Τανζανία. Ολα αυτά μπορεί και να φθάνουν στο 1 εκατομμύριο τόνους αλλά προς το παρόν, όπως φαίνεται, ο πλανήτης αρκείται σε μόλις 50 τόνους τον χρόνο από το στοιχείο αυτό.
Το υττέρβιο δοκιμάστηκε από βραζιλιάνους ερευνητές σε υλικό για οδοντικές εργασίες και σε μια αναλογία 30% ως και 40% βρέθηκε ότι συμπεριφερόταν πολύ ικανοποιητικά σε ό,τι αφορούσε τη σκίαση στη λήψη ακτινογραφιών και προτάθηκε για μελλοντικές χρήσεις (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20579134).
Η πιο καθιερωμένη πάντως χρήση του είναι σε πρόσμειξη με τον χάλυβα για να δίνει κράματα που ισχυροποιούν την ανοξείδωτη εκδοχή του υλικού αυτού με την εκτεταμένη χρήση. Θα το βρούμε ακόμη σε κεραμικούς πυκνωτές και σε συσκευές λέιζερ ημιαγωγών όπου η ισχύς τους μπορεί να φθάσει στα 2kW.
Μια πολύ αξιοπρόσεκτη ιδιότητα του στοιχείου αυτού είναι σε συνθήκες πίεσης. Στις 16.000 ατμόσφαιρες από την άποψη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας συμπεριφέρεται σαν ημιαγωγός. Προχωρώντας όμως η αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα αυξάνεται ως τις 40.000 ατμόσφαιρες και από εκεί αρχίζει να γίνεται υλικό αγώγιμο για το ηλεκτρικό ρεύμα. Ετσι βρίσκει χρήση και σαν αισθητήρας για μετακινήσεις μεγάλων όγκων σε περιπτώσεις σεισμών και πυρηνικών δοκιμών.
Εκεί όμως που έχουμε πραγματικά κορυφαία επίδοση χάρη στο υττέρβιο είναι στα ατομικά ρολόγια υπερ-ακριβείας. Η ακρίβεια, δηλαδή η χρονική διαφορά που μπορεί να παρατηρηθεί ανάμεσα στα διαδοχικά «τικ-τακ» του ρολογιού αυτού, φθάνει τον ασύλληπτο αριθμό 2Χ10-18.
Απορίες λογικές και μη
Πώς γίνεται και επιτυγχάνεται αυτή η τρομακτική ακρίβεια σε ένα ρολόι με υττέρβιο;
Εχει να κάνει με το πόσο ακριβείς είναι οι μεταβάσεις των ηλεκτρονίων από μια διεγερμένη στοιβάδα πίσω στην κανονική τους. Επίσης σε αυτή την ακρίβεια συμβάλλει εκτός από την καθαρότητα του υλικού και το ότι η θερμοκρασία στον χώρο όπου γίνονται αυτές οι μεταβάσεις βρίσκεται ασύλληπτα κοντά στο απόλυτο μηδέν (=-273 βαθμοί Κελσίου), οπότε οι αυθόρμητες δονήσεις των ατόμων εξαιτίας της θερμικής ενέργειας έχουν περιοριστεί στο ελάχιστο. Τέτοια ρολόγια και η έρευνα γύρω από αυτά έχουν ως γενέτειρα το National Institute of Standards and Techology (NIST). Περίπου 10.000 άτομα διατηρούνται σε θερμοκρασία 10 μικροΚέλβιν, μόλις 10 εκατομμυριοστά πιο πάνω από το απόλυτο μηδέν, δηλαδή τους -273 βαθμούς Κελσίου, παγιδευμένα σε ένα οπτικό πλέγμα που δημιουργούν ακτίνες λέιζερ. Μια άλλη ακτίνα λέιζερ πέφτει επάνω τους με συχνότητα 518 τρισεκατομμύρια φορές μέσα σε ένα δευτερόλεπτο και δίνει ενέργεια σε ηλεκτρόνια της εξώτερης στοιβάδας του κάθε ατόμου να κάνουν άλμα σε μιαν άλλη στοιβάδα που απαιτεί μεγαλύτερη ενέργεια. Και από εκεί επιστρέφουν εκπέμποντας ακτίνες φωτός με πολύ μεγάλη ακρίβεια στη συχνότητα. Γι' αυτό είναι πολύ πιο ακριβή από τα ατομικά ρολόγια καισίου, που έχουμε ήδη περιγράψει τη λειτουργία τους.http://www.tovima.gr