Елементарна аристокрация

Всеки ред от периодичната таблица завършва в края. Преди малко повече от сто години тяхното съществуване дори не се предполагаше. Тогава те удивиха света с химичните си свойства или по-скоро с отсъствието си. Дори по-късно те се оказват логично следствие от законите на природата. благородни газове.

С течение на времето те "влизат в действие", а през втората половина на миналия век започват да се свързват с по-малко благородни елементи. Нека започнем историята на елементарното висше общество така:

Преди много време…

... Имаше един лорд.

Лорд Хенри Кавендиш (1731-1810) в стара скица.

Хенри Кавендиш той принадлежеше към висшата британска аристокрация, но се интересуваше от изучаването на тайните на природата. През 1766 г. той открива водорода, а деветнадесет години по-късно провежда експеримент, в който успява да намери друг елемент. Той искаше да разбере дали въздухът съдържа други компоненти освен вече познатите кислород и азот. Той напълни огъната стъклена тръба с въздух, потопи краищата й в живачни съдове и прокара електрически разряди между тях. Искрите накараха азота да се комбинира с кислород и получените киселинни съединения се абсорбират от алкалния разтвор. При липса на кислород Кавендиш го подава в епруветката и продължава експеримента, докато целият азот не бъде отстранен. Експериментът продължи няколко седмици, през които обемът на газа в тръбата непрекъснато намаляваше. След като азотът беше изчерпан, Кавендиш отстрани кислорода и установи, че балонът все още съществува, което той прецени, че е ¹/₁₂₀ първоначален обем на въздуха. Господ не попита за естеството на остатъците, считайки ефекта за грешка на опита. Днес знаем, че той беше много близо до откриването аргон, но отне повече от век за завършване на експеримента.

слънчева мистерия

Слънчевите затъмнения винаги са привличали вниманието както на обикновените хора, така и на учените. На 18 август 1868 г. астрономите, наблюдаващи това явление, за първи път използват спектроскоп (проектиран преди по-малко от десет години), за да изследват слънчевите изпъкналости, ясно видими с потъмнял диск. Френски Пиер Янсен по този начин той доказа, че слънчевата корона се състои главно от водород и други елементи на земята. Но на следващия ден, докато наблюдава отново Слънцето, той забеляза неописана по-рано спектрална линия, разположена близо до характерната жълта линия на натрия. Янсен не можа да го припише на нито един елемент, известен по това време. Същото наблюдение направи и английски астроном Норман Локър. Учените излагат различни хипотези за мистериозния компонент на нашата звезда. Локър го нарече високоенергиен лазер, от името на гръцкия бог на слънцето – Хелиос. Повечето учени обаче смятат, че жълтата линия, която са видели, е част от водородния спектър при изключително високите температури на звездата. През 1881 г. италиански физик и метеоролог Луиджи Палмиери изследва вулканичните газове на Везувий с помощта на спектроскоп. В техния спектър той откри жълта лента, приписвана на хелия. Въпреки това Палмиери неясно описва резултатите от своите експерименти, а други учени не ги потвърждават. Сега знаем, че хелият се намира във вулканични газове и Италия може наистина да е първата, която наблюдава спектъра на земния хелий.

Илюстрация от 1901 г., показваща апарата за експеримента на Кавендиш

Отваряне на третия знак след десетичната запетая

В началото на последното десетилетие на XNUMX век английският физик Лорд Рейли (Джон Уилям Струт) решава да определи точно плътността на различни газове, което също така направи възможно точното определяне на атомните маси на техните елементи. Rayleigh беше усърден експериментатор, така че той получи газове от голямо разнообразие от източници, за да открие примеси, които биха фалшифицирали резултатите. Той успя да намали грешката на определяне до стотни от процента, което по това време беше много малко. Анализираните газове са показали съответствие с определената плътност в рамките на грешката на измерване. Това не изненада никого, тъй като съставът на химичните съединения не зависи от техния произход. Изключение беше азотът - само той имаше различна плътност в зависимост от метода на производство. Азот атмосферни (получен от въздуха след отделянето на кислород, водна пара и въглероден диоксид) винаги е бил по-тежък от химически (получен чрез разлагане на неговите съединения). Разликата, колкото и да е странно, беше постоянна и възлизаше на около 0,1%. Рейли, неспособен да обясни това явление, се обърна към други учени.

Помощ, предложена от химик Уилям Рамзи. И двамата учени стигнаха до заключението, че единственото обяснение е наличието на примес от по-тежък газ в азота, получен от въздуха. Когато попаднали на описанието на експеримента Кавендиш, те почувствали, че са на прав път. Те повториха експеримента, този път използвайки модерно оборудване и скоро имаха проба от неизвестен газ. Спектроскопският анализ показа, че съществува отделно от познатите вещества, а други изследвания показват, че съществува като отделни атоми. Досега такива газове не са били известни (имаме О₂, N₂Н₂), така че това също означаваше отваряне на нов елемент. Рейли и Рамзи се опитаха да го накарат аргон (гръцки = мързелив) да реагира с други вещества, но без резултат. За да определят температурата на нейната кондензация, те се обърнали към единствения човек в света по това време, който разполагал с подходящия апарат. Беше Карол Олшевски, професор по химия в Ягелонския университет. Олшевски втечнен и втвърден аргон и също така определи другите му физически параметри.

Докладът на Рейли и Рамзи през август 1894 г. предизвика голям резонанс. Учените не можеха да повярват, че поколения изследователи са пренебрегнали 1% компонента на въздуха, който присъства на Земята в количество, много по-голямо от, например, среброто. Тестове от други потвърдиха съществуването на аргон. Откритието с право се счита за голямо постижение и триумф на внимателен експеримент (говореше се, че новият елемент е скрит на третия знак след десетичната запетая). Никой обаче не очакваше, че ще има...

... Цяло семейство газове.

Хелиева група (атомен номер отгоре, атомна маса отдолу).

Дори преди атмосферата да бъде анализирана задълбочено, година по-късно Рамзи се заинтересува от статия в списание за геология, която съобщава за освобождаването на газ от уранови руди, когато е изложен на киселина. Рамзи опита отново, изследва получения газ със спектроскоп и видя непознати спектрални линии. Консултация с Уилям Крукс, специалист по спектроскопия, доведе до заключението, че тя отдавна е търсена на Земята високоенергиен лазер. Сега знаем, че това е един от продуктите на разпадането на урана и тория, съдържащи се в рудите на естествените радиоактивни елементи. Рамзи отново помоли Олшевски да втечни новия газ. Този път обаче оборудването не беше в състояние да постигне достатъчно ниски температури и течен хелий не беше получен до 1908 г.

Хелият също се оказа едноатомен газ и неактивен, като аргон. Свойствата на двата елемента не се вписваха в нито едно семейство на периодичната таблица и беше решено да се създаде отделна група за тях. [helowce_uklad] Рамзи стигна до извода, че в него има пропуски и заедно с колегата си Морис Траверс започна по-нататъшни изследвания. Чрез дестилация на течен въздух химиците откриха още три газа през 1898 г.: неон (гр. = нов), криптон (gr. = skryty) i ксенон (гръцки = чужд). Всички те, заедно с хелия, присъстват във въздуха в минимални количества, много по-малко от аргона. Химическата пасивност на новите елементи накара изследователите да им дадат общо име. благородни газове. 

След неуспешни опити за отделяне от въздуха е открит друг хелий като продукт на радиоактивни трансформации. През 1900г Фредерик Дорн Сега Андре-Луи Дебирн забелязали отделянето на газ (еманация, както казаха тогава) от радий, който нарекли радон. Скоро беше забелязано, че излъчванията също излъчват торий и актиний (торон и актинон). Рамзи и Фредерик Соди доказаха, че са един елемент и са следващият благороден газ, който нарекоха нитон (латински = да свети, защото пробите от газ светеха в тъмното). През 1923 г. нитонът най-накрая се превръща в радон, кръстен на най-дълго живеещия изотоп.

Последната от хелиевите инсталации, които затварят реалната периодична таблица, е получена през 2006 г. в руската ядрена лаборатория в Дубна. Името, одобрено само десет години по-късно, Оганесън, в чест на руския ядрен физик Юрий Оганесян. Единственото, което се знае за новия елемент е, че той е най-тежкият известен досега и че са получени само няколко ядра, които са живели по-малко от милисекунда.

Химически мизальянси

Вярата в химическата пасивност на хелия рухна през 1962 г., когато Нийл Бартлет той получава съединение с формула Xe [PtF₆]. Химията на ксеноновите съединения днес е доста обширна: известни са флуориди, оксиди и дори киселинни соли на този елемент. Освен това те са постоянни съединения при нормални условия. Криптонът е по-лек от ксенона, образува няколко флуорида, както и по-тежкият радон (радиоактивността на последния прави изследванията много по-трудни). От друга страна, трите най-леки - хелий, неон и аргон - нямат постоянни съединения.

Химическите съединения на благородни газове с по-малко благородни партньори могат да се сравнят със стари мизалианси. Днес тази концепция вече не е валидна и не бива да се учудвам, че...

Хеликоптери, отляво надясно: лорд Рейли (Джон Уилям Стрът, 1842–1919), сър Уилям Рамзи (1852–1916) и Морис Травърс (1872–1961); портрет от колекцията на University College London.

... аристократите работят.

Хелият се получава чрез отделяне на втечнен въздух в азотни и кислородни инсталации. От друга страна източникът на хелий е основно природен газ, в който той е до няколко процента от обема (в Европа най-големият завод за производство на хелий работи в Одоланув, във Великополско войводство). Първото им занимание беше да блестят в светещи тръби. В днешно време неоновата реклама все още радва окото, но и хелиевите материали са в основата на някои видове лазери, като аргоновия лазер, който ще срещнем при зъболекаря или козметика.

Изобразяване на ксенонова йонна сонда Dawn в близост до астероида Церера.

Химическата пасивност на хелиевите инсталации се използва за създаване на атмосфера, която предпазва от окисляване, например при заваряване на метали или херметични опаковки за храни. Напълнените с хелий лампи работят при по-висока температура (т.е. светят по-ярко) и използват електричеството по-ефективно. Обикновено се използва аргон, смесен с азот, но криптонът и ксенонът дават още по-добри резултати. Най-новата употреба на ксенон е като задвижващ материал в йонно-ракетно задвижване, което е по-ефективно от задвижването с химически пропелент. Най-лекият хелий е пълен с метеорологични балони и балони за деца. В смес с кислород хелият се използва от водолази за работа на големи дълбочини, което помага да се избегне декомпресионна болест. Най-важното приложение на хелия е да се постигнат ниските температури, необходими за функционирането на свръхпроводниците.

Кислородно-хелиевата смес осигурява безопасно гмуркане.