Aristocrația elementară

Fiecare rând al tabelului periodic se termină la sfârșit. Cu puțin peste o sută de ani în urmă, existența lor nici nu era presupusă. Apoi au uimit lumea cu proprietățile lor chimice, sau mai degrabă cu absența lor. Chiar și mai târziu s-au dovedit a fi o consecință logică a legilor naturii. gaze nobile.

De-a lungul timpului, au „intrat în acțiune”, iar în a doua jumătate a secolului trecut au început să fie asociate cu elemente mai puțin nobile. Să începem povestea înaltei societăți elementare astfel:

Acum mult timp…

… Era un lord.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) într-o schiță veche.

Henry Cavendish el aparținea celei mai înalte aristocrații britanice, dar era interesat să învețe secretele naturii. În 1766, a descoperit hidrogenul, iar nouăsprezece ani mai târziu a efectuat un experiment în care a reușit să găsească un alt element. El a vrut să afle dacă aerul conține și alte componente în afară de oxigenul și azotul deja cunoscuți. A umplut cu aer un tub de sticlă îndoit, i-a scufundat capetele în vase cu mercur și a trecut descărcări electrice între ele. Scânteile au făcut ca azotul să se combine cu oxigenul, iar compușii acizi rezultați au fost absorbiți de soluția alcalină. În absența oxigenului, Cavendish l-a introdus în tub și a continuat experimentul până când tot azotul a fost îndepărtat. Experimentul a durat câteva săptămâni, timp în care volumul de gaz din conductă a scăzut constant. Odată ce azotul a fost epuizat, Cavendish a îndepărtat oxigenul și a descoperit că bula încă mai exista, pe care a estimat-o că este. ¹/₁₂₀ volumul de aer inițial. Domnul nu a întrebat despre natura reziduurilor, considerând efectul ca o greșeală a experienței. Astăzi știm că a fost foarte aproape de deschidere argon, dar a durat mai mult de un secol pentru a finaliza experimentul.

mister solar

Eclipsele de soare au atras întotdeauna atenția atât a oamenilor obișnuiți, cât și a oamenilor de știință. Pe 18 august 1868, astronomii care observau acest fenomen au folosit pentru prima dată un spectroscop (proiectat cu mai puțin de zece ani în urmă) pentru a studia proeminențele solare, vizibile clar cu un disc întunecat. limba franceza Pierre Janssen în acest fel a demonstrat că corona solară este compusă în principal din hidrogen și alte elemente ale pământului. Dar a doua zi, în timp ce observa din nou Soarele, el a observat o linie spectrală nedescrisă anterior, situată lângă linia galbenă caracteristică a sodiului. Janssen nu a putut să-l atribuie niciunui element cunoscut la acea vreme. Aceeași observație a fost făcută de un astronom englez Norman Locker. Oamenii de știință au înaintat diverse ipoteze despre componenta misterioasă a stelei noastre. Lockyer l-a numit laser de înaltă energie, în numele zeului grec al soarelui - Helios. Cu toate acestea, majoritatea oamenilor de știință credeau că linia galbenă pe care au văzut-o face parte din spectrul hidrogenului la temperaturile extrem de ridicate ale stelei. În 1881, un fizician și meteorolog italian Luigi Palmieri a studiat gazele vulcanice ale Vezuviului folosind un spectroscop. În spectrul lor, el a găsit o bandă galbenă atribuită heliului. Cu toate acestea, Palmieri a descris rezultatele experimentelor sale vag, iar alți oameni de știință nu le-au confirmat. Știm acum că heliul se găsește în gazele vulcanice, iar Italia ar fi fost într-adevăr prima care a observat spectrul heliului terestru.

Ilustrație din 1901 care arată aparatul pentru experimentul Cavendish

Deschidere cu a treia zecimală

La începutul ultimului deceniu al secolului al XNUMX-lea, fizicianul englez Lordul Rayleigh (John William Strutt) a decis să determine cu exactitate densitățile diferitelor gaze, ceea ce a făcut posibilă și determinarea cu precizie a maselor atomice ale elementelor lor. Rayleigh a fost un experimentator diligent, așa că a obținut gaze dintr-o mare varietate de surse pentru a detecta impuritățile care ar falsifica rezultatele. A reușit să reducă eroarea de determinare la sutimi de procent, care la vremea aceea era foarte mică. Gazele analizate au arătat conformitatea cu densitatea determinată în cadrul erorii de măsurare. Acest lucru nu a surprins pe nimeni, deoarece compoziția compușilor chimici nu depinde de originea lor. Excepția a fost azotul - doar că avea o densitate diferită în funcție de metoda de producție. Azot atmosferic (obținut din aer după separarea oxigenului, vaporilor de apă și dioxidului de carbon) a fost întotdeauna mai greu decât chimic (obținut prin descompunerea compușilor săi). Diferența, destul de ciudat, a fost constantă și s-a ridicat la aproximativ 0,1%. Rayleigh, incapabil să explice acest fenomen, a apelat la alți oameni de știință.

Ajutor oferit de un chimist William Ramsay. Ambii oameni de știință au concluzionat că singura explicație a fost prezența unui amestec de gaz mai greu în azotul obținut din aer. Când au dat peste descrierea experimentului Cavendish, au simțit că sunt pe drumul cel bun. Au repetat experimentul, de data aceasta folosind echipamente moderne, iar în curând au avut în posesia lor o probă dintr-un gaz necunoscut. Analiza spectroscopică a arătat că există separat de substanțele cunoscute, iar alte studii au arătat că există ca atomi separați. Până acum, astfel de gaze nu au fost cunoscute (avem O₂, N₂, H₂), deci asta a însemnat și deschiderea unui nou element. Rayleigh și Ramsay au încercat să-l facă argon (greacă = leneș) a reacționa cu alte substanțe, dar fără rezultat. Pentru a determina temperatura de condensare a acestuia, au apelat la singura persoană din lume care avea la acel moment aparatul corespunzător. A fost Karol Olszewski, profesor de chimie la Universitatea Jagiellonian. Olshevsky a lichefiat și solidificat argonul și a determinat, de asemenea, ceilalți parametri fizici ai acestuia.

Raportul lui Rayleigh și Ramsay din august 1894 a provocat o mare rezonanță. Oamenii de știință nu puteau crede că generații de cercetători au neglijat componenta de 1% a aerului, care este prezentă pe Pământ într-o cantitate mult mai mare decât, de exemplu, argintul. Testele altora au confirmat existența argonului. Descoperirea a fost considerată pe bună dreptate o mare realizare și un triumf al experimentului atent (se spunea că noul element era ascuns în a treia zecimală). Cu toate acestea, nimeni nu se aștepta să existe...

… O întreagă familie de gaze.

Grupa heliu (numărul atomic în partea de sus, masa atomică în partea de jos).

Chiar înainte ca atmosfera să fi fost analizată amănunțit, un an mai târziu, Ramsay a devenit interesat de un articol din jurnalul de geologie care raporta eliberarea de gaz din minereurile de uraniu atunci când este expus la acid. Ramsay a încercat din nou, a examinat gazul rezultat cu un spectroscop și a văzut linii spectrale necunoscute. Consultare cu William Crookes, specialist în spectroscopie, a condus la concluzia că este căutată de mult timp pe Pământ laser de înaltă energie. Acum știm că acesta este unul dintre produsele de descompunere ai uraniului și toriu, conținute în minereurile elementelor radioactive naturale. Ramsay i-a cerut din nou lui Olszewski să lichefieze noul gaz. Cu toate acestea, de data aceasta echipamentul nu a fost capabil să atingă temperaturi suficient de scăzute, iar heliu lichid nu a fost obținut până în 1908.

Heliul s-a dovedit a fi, de asemenea, un gaz monoatomic și inactiv, precum argonul. Proprietățile ambelor elemente nu se încadrau în nicio familie a tabelului periodic și s-a decis să se creeze un grup separat pentru ele. [helowce_uklad] Ramsay a ajuns la concluzia că există lacune în el și împreună cu colegul său Morris Traverse a început cercetările ulterioare. Prin distilarea aerului lichid, chimiștii au descoperit încă trei gaze în 1898: neon (gr. = nou), cripton (gr. = skryty)i xenon (greacă = străină). Toate, împreună cu heliul, sunt prezente în aer în cantități minime, mult mai puțin decât argonul. Pasivitatea chimică a noilor elemente i-a determinat pe cercetători să le dea un nume comun. gaze nobile. 

După încercări nereușite de a se separa de aer, un alt heliu a fost descoperit ca produs al transformărilor radioactive. În 1900 Frederic Dorn Oraz Andre-Louis Debirn au observat eliberarea de gaz (emanare, cum spuneau atunci) din radiu, pe care l-au numit radon. S-a observat curând că emanațiile emit și toriu și actiniu (thoron și actinon). Ramsay și Frederick Soddy a demonstrat că sunt un element și sunt următorul gaz nobil pe care l-au numit niton (Latina = a străluci pentru că probele de gaz străluceau în întuneric). În 1923, nitonul a devenit în cele din urmă radon, numit după cel mai longeviv izotop.

Ultima dintre instalațiile de heliu care completează adevăratul tabel periodic a fost obținută în 2006 la laboratorul nuclear rus din Dubna. Numele, aprobat doar zece ani mai târziu, Oganesson, în onoarea fizicianului nuclear rus Yuri Oganesyan. Singurul lucru cunoscut despre noul element este că este cel mai greu cunoscut până acum și că s-au obținut doar câteva nuclee care au trăit mai puțin de o milisecundă.

Dezechilibre chimice

Credința în pasivitatea chimică a heliului s-a prăbușit în 1962 când Neil Bartlett a obţinut un compus cu formula Xe [PtF₆]. Chimia compușilor xenonului este astăzi destul de extinsă: sunt cunoscute fluorurile, oxizii și chiar sărurile acide ale acestui element. În plus, sunt compuși permanenți în condiții normale. Kryptonul este mai ușor decât xenonul, formează mai multe fluoruri, la fel ca radonul mai greu (radioactivitatea acestuia din urmă face cercetările mult mai dificile). Pe de altă parte, cele mai ușoare trei - heliu, neon și argon - nu au compuși permanenți.

Compușii chimici ai gazelor nobile cu parteneri mai puțin nobili pot fi comparați cu vechile dezechilibre. Astăzi, acest concept nu mai este valabil și nu trebuie să fii surprins că...

Elicoptere, de la stânga la dreapta: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) și Morris Travers (1872–1961); portret din colecția University College London.

… aristocrații lucrează.

Heliul se obține prin separarea aerului lichefiat din plantele de azot și oxigen. Pe de altă parte, sursa de heliu este în principal gazul natural, în care reprezintă până la câteva procente din volum (în Europa, cea mai mare fabrică de producție de heliu funcționează în Invins, în Voievodatul Poloniei Mari). Prima lor ocupație a fost să strălucească în tuburi luminoase. În zilele noastre, publicitatea cu neon este încă plăcută ochiului, dar materialele cu heliu stau și la baza unor tipuri de lasere, precum laserul cu argon pe care îl vom întâlni la stomatolog sau cosmetician.

Redare de artist a Sondei Xenon Ion Dawn de lângă asteroidul Ceres.

Pasivitatea chimică a instalațiilor cu heliu este folosită pentru a crea o atmosferă care protejează împotriva oxidării, de exemplu, la sudarea metalelor sau a ambalajelor ermetice pentru alimente. Lămpile umplute cu heliu funcționează la o temperatură mai ridicată (adică strălucesc mai puternic) și folosesc electricitatea mai eficient. De obicei, argonul este folosit în amestec cu azot, dar criptonul și xenonul dau rezultate și mai bune. Cea mai recentă utilizare a xenonului este ca material de propulsie în propulsia rachetelor ionice, care este mai eficientă decât propulsia cu propulsor chimic. Cel mai ușor heliu este umplut cu baloane meteorologice și baloane pentru copii. Într-un amestec cu oxigen, heliul este folosit de scafandri pentru a lucra la adâncimi mari, ceea ce ajută la evitarea bolii de decompresie. Cea mai importantă aplicație a heliului este atingerea temperaturilor scăzute necesare pentru funcționarea supraconductoarelor.

Amestecul de oxigen-heliu asigură scufundări în siguranță.