Стихійна аристократія

Кожен рядок періодичної таблиці закінчується наприкінці. Дещо більше ста років тому їх існування навіть не передбачалося. Тоді вони вразили світ своїми хімічними властивостями, а точніше, їх відсутністю. Ще згодом вони виявилися логічним наслідком законів природи. Шляхетні гази.

Згодом вони «пішли у справу», а в другій половині минулого століття їх стали пов'язувати з менш благородними елементами. Почнемо розповідь про елементарне вище суспільство так:

Давним давно…

… Був лорд.

Лорд Генрі Кавендіш (1731-1810) на старовинному ескізі.

Генрі Кавендіш він належав до вищої англійської аристократії, та його цікавило вивчення таємниць природи. В 1766 він відкрив водень, а дев'ятнадцять років провів експеримент, в ході якого зміг знайти ще один елемент. Він хотів з'ясувати, чи містить повітря, окрім уже відомих кисню та азоту, ще й інші компоненти. Зігнуту скляну трубку він наповнював повітрям, занурював її кінці в ртутні судини та пропускав між ними електричні розряди. Іскри змусили азот з'єднатися з киснем, і кислотні сполуки, що утворилися, були поглинені розчином лугу. За відсутності кисню Кавендіш подавав його в трубку і продовжував експеримент доти, доки був видалений весь азот. Експеримент тривав кілька тижнів, протягом яких обсяг газу у трубі постійно зменшувався. Як тільки азот був вичерпаний, Кавендіш видалив кисень і виявив, що міхур все ще існує, який він оцінив як ¹/₁₂₀ Початковий обсяг повітря. Господь не став запитувати про природу залишків, вважаючи ефект помилкою досвіду. Сьогодні ми знаємо, що він був дуже близьким до відкриття аргон, Але на завершення експерименту пішло більше століття.

Сонячна таємниця

Сонячні затемнення завжди привертали увагу як пересічних людей, і учених. 18 серпня 1868 року астрономи, що спостерігали це явище, вперше використали спектроскоп (сконструйований менше десяти років тому) для вивчення сонячних протуберанців, добре видимих ​​із затемненим диском. Французька П'єр Янссен таким чином він довів, що сонячна корона складається здебільшого з водню та інших елементів землі. Але наступного дня, знову спостерігаючи за Сонцем, він помітив неописану спектральну лінію, розташовану поблизу характерної жовтої лінії натрію. Янссен не зміг приписати його якомусь відомому на той час елементу. Те саме спостереження зробив і англійський астроном Норман Локер. Вчені висунули різні гіпотези про загадковий компонент нашої зірки. Лок'єр дав йому ім'я високоенергетичний лазер, Від імені грецького бога сонця - Геліоса. Однак більшість учених вважали, що жовта лінія, яку вони бачили, була частиною спектру водню за надзвичайно високих температур зірки. У 1881 році італійський фізик та метеоролог Луїджі Пальмієрі вивчав вулканічні гази Везувію за допомогою спектроскопа. У спектрі він виявив жовту смугу, приписувану гелію. Однак Пальмієрі туманно описав результати своїх експериментів та інші вчені їх не підтвердили. Тепер ми знаємо, що гелій знаходиться у вулканічних газах, і Італія, можливо, справді була першою, хто спостерігав спектр земного гелію.

Ілюстрація 1901 року, що показує апарат для експерименту Кавендіша.

Відкриття у третьому десятковому знаку

На початку останнього десятиліття XNUMX століття англійський фізик лорд Релей (Джон Вільям Струтт) вирішив точно визначити густини різних газів, що дозволило також точно визначити атомні маси їх елементів. Релей був старанним експериментатором, тому він отримував гази з різних джерел, щоб виявити домішки, що фальсифікують результати. Йому вдалося зменшити похибку визначення до сотих часток відсотка, що на ті часи було дуже мало. Аналізовані гази показали відповідність визначуваної густини в межах похибки вимірювання. Це нікого не здивувало, оскільки склад хімічних сполук залежить від їх походження. Виняток становив азот – тільки він мав різну густину залежно від способу отримання. Азот атмосферне (отриманий з повітря після поділу кисню, пари води та вуглекислого газу) завжди був важчим, ніж хімічний (Отриманий при розкладанні його сполук). Різниця, як не дивно, була постійною та становила близько 0,1%. Релей, не в змозі пояснити це явище, звернувся до інших вчених.

Допомога запропонував хімік Вільям Рамсей. Обидва вчені дійшли висновку, що єдиним поясненням була наявність домішки важчого газу в азоті, що отримується з повітря. Коли вони натрапили на опис експерименту Кавендіша, вони відчули, що вони знаходяться на правильному шляху. Вони повторили експеримент, цього разу з використанням сучасного обладнання, і незабаром у їхньому розпорядженні виявився зразок невідомого газу. Спектроскопічний аналіз показав, що існує окремо від відомих речовин, інші дослідження показали, що існує у вигляді окремих атомів. До цих пір такі гази не були відомі (у нас є O₂, N₂, H₂), тому це також означало відкриття нового елемента. Релей та Рамзі намагалися змусити його аргон (грец. = лінивий) реагувати з іншими речовинами, але безрезультатно. Щоб визначити температуру його конденсації, вони звернулися до єдиної на той час у світі людини, яка мала відповідний апарат. Це було Кароль Ольшевський, професор хімії Ягеллонського університету Ольшевський зріджував і твердів аргон, а також визначав інші його фізичні параметри.

Доповідь Релея та Рамзі у серпні 1894 р. викликала великий резонанс. Вчені не могли повірити, що цілі покоління дослідників нехтували 1-відсотковою складовою повітря, яка була присутня на Землі в кількості, що значно перевищує, наприклад, срібло. Випробування інших підтвердили існування аргону. Відкриття по праву вважалося великим досягненням та тріумфом ретельного експерименту (говорили, що новий елемент ховається у третьому десятковому знаку). Проте ніхто не очікував, що буде…

… Ціла родина газів.

Група гелію (атомний номер зверху, атомна маса внизу).

Ще до того, як атмосфера була ретельно проаналізована, через рік Рамзі зацікавився заміткою в геологічному журналі, в якій повідомлялося про виділення газу з уранових руд при впливі кислоти. Рамзі повторив спробу, досліджував газ, що утворився, спектроскопом і побачив незнайомі спектральні лінії. Консультація з Вільям Крукс, фахівець із спектроскопії, дозволив зробити висновок, що його давно шукають на Землі високоенергетичний лазер. Тепер ми знаємо, що це один із продуктів розпаду урану та торію, укладений у рудах природних радіоактивних елементів. Рамзі знову попросив Ольшевського зріджувати новий газ. Однак цього разу можливості обладнання не дозволяли досягти досить низьких температур, і рідкий гелій не було отримано до 1908 року.

Гелій також виявився одноатомним газом та неактивним, як аргон. Властивості обох елементів не вкладалися в жодне сімейство таблиці Менделєєва і було вирішено створити для них окрему групу. [helowce_uklad] Рамзі дійшов висновку, що в ньому є прогалини, і разом зі своїм колегою Моррісем Траверсем розпочав подальші дослідження. Переганяючи рідке повітря, хіміки в 1898 відкрили ще три газу: неоновий (Гр. = новий), криптон (gr. = skryty) i ксенон (грецька = іноземна). Всі вони разом із гелієм присутні у повітрі в мінімальних кількостях, набагато менше, ніж аргону. Хімічна пасивність нових елементів наштовхнула дослідників на думку дати їм загальну назву. благородні гази. 

Після невдалих спроб відокремити від повітря було виявлено ще один гелій як продукт радіоактивних перетворень. У 1900 році Фредерік Дорн Тепер Андре-Луї Дебірн вони помітили виділення газу (еманацію, як тоді говорили) з радію, названого ними радон. Незабаром було помічено, що еманації також виділяють торій та актиній (торон та актинон). Рамзі та Фредерік Соді довели, що вони є одним елементом та є наступним благородним газом, який вони назвали нітон (Латинське = світитися, бо зразки газу світилися у темряві). У 1923 році нітон нарешті став радоном, названим на честь довгоживучого ізотопу.

Остання з гелієвих установок, що замикають справжню таблицю Менделєєва, було отримано у 2006 році у російській ядерній лабораторії у Дубні. Назва, затверджена лише через десять років, Оганессон, на честь російського фізика-ядерника Юрій Оганесян. Єдине, що відомо про новий елемент, це те, що він є найважчим із відомих досі і що було отримано лише кілька ядер, які жили менш ніж мілісекунди.

Хімічні мезальянси

Віра в хімічну пасивність геліїв впала в 1962 р., коли Ніл Бартлетт він отримав з'єднання формули Xe [PtF₆]. Хімія сполук ксенону сьогодні досить велика: відомі фториди, оксиди і навіть кислі солі цього елемента. Крім того, вони є постійними сполуками за нормальних умов. Криптон легший за ксенон, утворює кілька фторидів, як і більш важкий радон (радіоактивність останнього значно ускладнює дослідження). З іншого боку, три найлегші – гелій, неон та аргон – не мають постійних сполук.

Хімічні сполуки благородних газів із менш благородними партнерами можна порівняти зі старими мезальянсами. Сьогодні ця концепція вже не діє, і не варто дивуватися з того, що і…

Вертолітники зліва направо: лорд Релей (Джон Вільям Струтт, 1842–1919), сер Вільям Рамзі (1852–1916) та Морріс Треверс (1872–1961); портрет зі зборів Університетського коледжу Лондона.

… аристократи працюють.

Гелій отримують поділом зрідженого повітря на азотних та кисневих установках. З іншого боку, джерелом гелію є в основному природний газ, в якому він становить до кількох відсотків обсягу (в Європі найбільша установка з виробництва гелію працює в Подолали, у Великопольському воєводстві). Їх першим заняттям було світити в трубках, що світяться. В даний час неонова реклама, як і раніше, тішить око, але гелієві матеріали також є основою деяких типів лазерів, таких як аргоновий лазер, з яким ми зустрінемося у стоматолога або косметолога.

Художнє бачення зонда Dawn з іонним ксеноновим двигуном поблизу астероїда Церера.

Хімічна пасивність гелієвих установок використовується для створення атмосфери, що захищає від окислення, наприклад, при зварюванні металів або герметичній упаковці харчових продуктів. Лампи, наповнені гелієм, працюють при вищій температурі (тобто світять яскравіше) та ефективніше використовують електроенергію. Зазвичай аргон використовують у суміші з азотом, а криптон та ксенон дають ще кращі результати. Останнє використання ксенону – це руховий матеріал в іонному ракетному двигуні, який ефективніший, ніж двигуни на хімічному паливі. Найлегшим гелієм наповнені метеозони та повітряні кулі для дітей. У суміші з киснем гелій використовують водолази для роботи на великих глибинах, що дозволяє уникнути кесонної хвороби. Найбільш важливим застосуванням гелію є досягнення низьких температур, необхідних функціонування надпровідників.

Киснево-гелієва суміш забезпечує безпечне занурення.