Стихийная аристократия

Каждая строка периодической таблицы заканчивается в конце. Немногим более ста лет назад их существование даже не предполагалось. Тогда они поразили мир своими химическими свойствами, а точнее их отсутствием. Еще позже они оказались логическим следствием законов природы. Благородные газы.

Со временем они «пошли в дело», а во второй половине прошлого века их стали связывать с менее благородными элементами. Начнем рассказ об элементарном высшем обществе так:

Давным-давно…

… Был лорд.

Лорд Генри Кавендиш (1731-1810) на старинном эскизе.

Генри Кавендиш он принадлежал к высшей британской аристократии, но его интересовало изучение тайн природы. В 1766 году он открыл водород, а девятнадцать лет спустя провел эксперимент, в ходе которого смог найти еще один элемент. Он хотел выяснить, содержит ли воздух, кроме уже известных кислорода и азота, еще и другие компоненты. Согнутую стеклянную трубку он наполнял воздухом, погружал ее концы в ртутные сосуды и пропускал между ними электрические разряды. Искры заставили азот соединиться с кислородом, и образовавшиеся кислотные соединения были поглощены раствором щелочи. В отсутствие кислорода Кавендиш подавал его в трубку и продолжал эксперимент до тех пор, пока не был удален весь азот. Эксперимент длился несколько недель, в течение которых объем газа в трубе постоянно уменьшался. Как только азот был исчерпан, Кавендиш удалил кислород и обнаружил, что пузырь все еще существует, который он оценил как ¹/₁₂₀ начальный объем воздуха. Господь не стал вопрошать о природе остатков, посчитав эффект ошибкой опыта. Сегодня мы знаем, что он был очень близок к открытию аргон, но на завершение эксперимента ушло более века.

Солнечная тайна

Солнечные затмения всегда привлекали внимание как простых людей, так и ученых. 18 августа 1868 года астрономы, наблюдавшие это явление, впервые использовали спектроскоп (сконструированный менее десяти лет назад) для изучения солнечных протуберанцев, хорошо видимых с затемненным диском. Французский Пьер Янссен таким образом он доказал, что солнечная корона состоит в основном из водорода и других элементов земли. Но на следующий день, снова наблюдая за Солнцем, он заметил неописанную ранее спектральную линию, расположенную вблизи характерной желтой линии натрия. Янссен не смог приписать его какому-либо известному в то время элементу. То же наблюдение сделал и английский астроном Норман локер. Ученые выдвинули различные гипотезы о загадочном компоненте нашей звезды. Локьер дал ему имя высокоэнергетический лазер, от имени греческого бога солнца – Гелиоса. Однако большинство ученых считали, что желтая линия, которую они видели, была частью спектра водорода при чрезвычайно высоких температурах звезды. В 1881 году итальянский физик и метеоролог Луиджи Пальмиери изучал вулканические газы Везувия с помощью спектроскопа. В их спектре он обнаружил желтую полосу, приписываемую гелию. Однако Пальмиери туманно описал результаты своих экспериментов, и другие ученые их не подтвердили. Теперь мы знаем, что гелий находится в вулканических газах, и Италия, возможно, действительно была первой, кто наблюдал спектр земного гелия.

Иллюстрация 1901 года, показывающая аппарат для эксперимента Кавендиша.

Открытие в третьем десятичном знаке

В начале последнего десятилетия XNUMX века английский физик лорд Рэлей (Джон Уильям Струтт) решил точно определить плотности различных газов, что позволило также точно определить атомные массы их элементов. Рэлей был прилежным экспериментатором, поэтому он получал газы из самых разных источников, чтобы обнаружить примеси, фальсифицирующие результаты. Ему удалось уменьшить погрешность определения до сотых долей процента, что по тем временам было очень мало. Анализируемые газы показали соответствие определяемой плотности в пределах погрешности измерения. Это никого не удивило, так как состав химических соединений не зависит от их происхождения. Исключение составлял азот – только он имел разную плотность в зависимости от способа получения. Азот атмосферный (полученный из воздуха после разделения кислорода, паров воды и углекислого газа) всегда был тяжелее, чем химический (полученный при разложении его соединений). Разница, как ни странно, была постоянной и составляла около 0,1%. Рэлей, не в силах объяснить это явление, обратился к другим ученым.

Помощь предложил химик Уильям Рамсей. Оба ученых пришли к выводу, что единственным объяснением было наличие примеси более тяжелого газа в азоте, получаемом из воздуха. Когда они наткнулись на описание эксперимента Кавендиша, они почувствовали, что находятся на правильном пути. Они повторили эксперимент, на этот раз с использованием современного оборудования, и вскоре в их распоряжении оказался образец неизвестного газа. Спектроскопический анализ показал, что он существует отдельно от известных веществ, а другие исследования показали, что он существует в виде отдельных атомов. До сих пор такие газы не были известны (у нас есть O₂, N₂, H₂), так что это также означало открытие нового элемента. Рэлей и Рамзи пытались заставить его аргон (греч. = ленивый) реагировать с другими веществами, но безрезультатно. Чтобы определить температуру его конденсации, они обратились к единственному в то время в мире человеку, имевшему соответствующий аппарат. Это было Кароль Ольшевский, профессор химии Ягеллонского университета. Ольшевский сжижал и затвердевал аргон, а также определял другие его физические параметры.

Доклад Рэлея и Рамзи в августе 1894 г. вызвал большой резонанс. Ученые не могли поверить, что целые поколения исследователей пренебрегали 1-процентной составляющей воздуха, присутствующей на Земле в количестве, значительно превышающем, например, серебро. Испытания других подтвердили существование аргона. Открытие по праву считалось большим достижением и триумфом тщательного эксперимента (говорили, что новый элемент скрывается в третьем десятичном знаке). Однако никто не ожидал, что будет…

… Целое семейство газов.

Группа гелия (атомный номер вверху, атомная масса внизу).

Еще до того, как атмосфера была тщательно проанализирована, год спустя Рамзи заинтересовался заметкой в ​​геологическом журнале, в которой сообщалось о выделении газа из урановых руд при воздействии кислоты. Рамзи повторил попытку, исследовал образовавшийся газ спектроскопом и увидел незнакомые спектральные линии. Консультация с Уильям Крукс, специалист по спектроскопии, позволил сделать вывод, что его давно ищут на Земле высокоэнергетический лазер. Теперь мы знаем, что это один из продуктов распада урана и тория, заключенный в рудах природных радиоактивных элементов. Рамзи снова попросил Ольшевского сжижать новый газ. Однако на этот раз возможности оборудования не позволяли добиться достаточно низких температур, и жидкий гелий не был получен до 1908 года.

Гелий также оказался одноатомным газом и неактивным, как аргон. Свойства обоих элементов не укладывались ни в одно семейство таблицы Менделеева и было решено создать для них отдельную группу. [helowce_uklad] Рамзи пришел к выводу, что в нем есть пробелы, и вместе со своим коллегой Моррисем Траверсем начал дальнейшие исследования. Перегоняя жидкий воздух, химики в 1898 году открыли еще три газа: неоновый (гр. = новый), криптон (gr. = skryty) i ксенон (греческий = иностранный). Все они вместе с гелием присутствуют в воздухе в минимальных количествах, намного меньше, чем аргона. Химическая пассивность новых элементов натолкнула исследователей на мысль дать им общее название. благородные газы. 

После безуспешных попыток отделить от воздуха был обнаружен еще один гелий как продукт радиоактивных превращений. В 1900 году Фредерик Дорн Ораз Андре-Луи Дебирн они заметили выделение газа (эманацию, как тогда говорили) из радия, названного ими радон. Вскоре было замечено, что эманации также выделяют торий и актиний (торон и актинон). Рамзи и Фредерик Содди доказали, что они являются одним элементом и являются следующим благородным газом, который они назвали нитон (Латинское = светиться, потому что образцы газа светились в темноте). В 1923 году нитон наконец стал радоном, названным в честь самого долгоживущего изотопа.

Последняя из гелиевых установок, замыкающих настоящую таблицу Менделеева, была получена в 2006 году в российской ядерной лаборатории в Дубне. Название, утвержденное лишь десять лет спустя, Оганессон, в честь российского физика-ядерщика Юрий Оганесян. Единственное, что известно о новом элементе, это то, что он является самым тяжелым из известных до сих пор и что было получено всего несколько ядер, которые жили менее миллисекунды.

Химические мезальянсы

Вера в химическую пассивность гелиев рухнула в 1962 г., когда Нил Бартлетт он получил соединение формулы Xe [PtF₆]. Химия соединений ксенона сегодня достаточно обширна: известны фториды, оксиды и даже кислые соли этого элемента. Кроме того, они являются постоянными соединениями при нормальных условиях. Криптон легче ксенона, образует несколько фторидов, как и более тяжелый радон (радиоактивность последнего значительно затрудняет исследования). С другой стороны, три самых легких — гелий, неон и аргон — не имеют постоянных соединений.

Химические соединения благородных газов с менее благородными партнерами можно сравнить со старыми мезальянсами. Сегодня эта концепция уже не действует, и не стоит удивляться тому, что и…

Вертолетчики слева направо: лорд Рэлей (Джон Уильям Струтт, 1842–1919), сэр Уильям Рамзи (1852–1916) и Моррис Трэверс (1872–1961); портрет из собрания Университетского колледжа Лондона.

… аристократы работают.

Гелий получают разделением сжиженного воздуха на азотных и кислородных установках. С другой стороны, источником гелия является в основном природный газ, в котором он составляет до нескольких процентов объема (в Европе крупнейшая установка по производству гелия работает в Одоланув, в Великопольском воеводстве). Их первым занятием было светить в светящихся трубках. В настоящее время неоновая реклама по-прежнему радует глаз, но гелиевые материалы также являются основой некоторых типов лазеров, таких как аргоновый лазер, с которым мы встретимся у стоматолога или косметолога.

Художественное видение зонда Dawn с ксеноновым ионным двигателем вблизи астероида Церера.

Химическая пассивность гелиевых установок используется для создания атмосферы, защищающей от окисления, например, при сварке металлов или герметичной упаковке пищевых продуктов. Лампы, наполненные гелием, работают при более высокой температуре (то есть светят ярче) и эффективнее используют электроэнергию. Обычно аргон используют в смеси с азотом, а криптон и ксенон дают еще лучшие результаты. Последнее использование ксенона – это двигательный материал в ионном ракетном двигателе, который более эффективен, чем двигатели на химическом топливе. Самым легким гелием наполнены метеозонды и воздушные шары для детей. В смеси с кислородом гелий используется водолазами для работы на больших глубинах, что позволяет избежать кессонной болезни. Наиболее важным применением гелия является достижение низких температур, необходимых для функционирования сверхпроводников.

Кислородно-гелиевая смесь обеспечивает безопасное погружение.