Elementär aristokrati

Varje rad i det periodiska systemet slutar i slutet. För drygt hundra år sedan trodde man inte ens deras existens. Sedan förvånade de världen med sina kemiska egenskaper, eller snarare sin frånvaro. Ännu senare visade de sig vara en logisk konsekvens av naturlagarna. ädelgaser.

Med tiden "gick de till handling", och under andra hälften av förra seklet började de förknippas med mindre ädla element. Låt oss börja historien om det elementära högsamhället så här:

För länge sedan…

… Det fanns en herre.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) i en gammal skiss.

Henry Cavendish han tillhörde den högsta brittiska aristokratin, men han var intresserad av att lära sig naturens hemligheter. 1766 upptäckte han väte, och nitton år senare genomförde han ett experiment där han kunde hitta ett annat grundämne. Han ville ta reda på om luften innehåller andra komponenter förutom det redan kända syret och kvävet. Han fyllde ett böjt glasrör med luft, sänkte dess ändar i kvicksilverkärl och ledde elektriska urladdningar mellan dem. Gnistorna fick kvävet att kombineras med syre, och de resulterande sura föreningarna absorberades av alkalilösningen. I frånvaro av syre matade Cavendish in det i röret och fortsatte experimentet tills allt kväve avlägsnats. Experimentet varade i flera veckor, under vilka volymen gas i röret hela tiden minskade. När väl kvävet var slut tog Cavendish bort syret och fann att bubblan fortfarande existerade, vilket han uppskattade vara ¹/₁₂₀ initial luftvolym. Herren frågade inte om resternas natur, eftersom effekten var ett misstag av erfarenhet. Idag vet vi att han var väldigt nära att öppna argon, men det tog mer än ett sekel att slutföra experimentet.

sol mysterium

Solförmörkelser har alltid uppmärksammats av både vanliga människor och forskare. Den 18 augusti 1868 använde astronomer som observerade detta fenomen först ett spektroskop (konstruerat för mindre än tio år sedan) för att studera solprominenser, tydligt synliga med en mörkare skiva. franska Pierre Janssen på detta sätt bevisade han att solkoronan huvudsakligen består av väte och andra grundämnen på jorden. Men nästa dag, medan han observerade solen igen, märkte han en tidigare obeskriven spektrallinje belägen nära den karakteristiska gula linjen av natrium. Janssen kunde inte hänföra det till något element som var känt vid den tiden. Samma observation gjordes av en engelsk astronom Norman Locker. Forskare har lagt fram olika hypoteser om den mystiska komponenten i vår stjärna. Lockyer döpte honom högenergilaser, på uppdrag av den grekiska solguden - Helios. De flesta forskare trodde dock att den gula linjen de såg var en del av vätespektrat vid stjärnans extremt höga temperaturer. 1881, en italiensk fysiker och meteorolog Luigi Palmieri studerade Vesuvius vulkaniska gaser med hjälp av ett spektroskop. I deras spektrum hittade han ett gult band som tillskrivs helium. Men Palmieri beskrev resultaten av sina experiment vagt, och andra forskare bekräftade dem inte. Vi vet nu att helium finns i vulkaniska gaser, och Italien kan verkligen ha varit först med att observera det terrestra heliumspektrumet.

Illustration från 1901 som visar apparaten för Cavendish-experimentet

Öppning i tredje decimalen

I början av det sista decenniet av XNUMXth århundradet, den engelska fysikern Lord Rayleigh (John William Strutt) bestämde sig för att noggrant bestämma densiteten för olika gaser, vilket också gjorde det möjligt att exakt bestämma atommassorna för deras grundämnen. Rayleigh var en flitig experimenterare, så han skaffade gaser från en mängd olika källor för att upptäcka föroreningar som skulle förfalska resultaten. Han lyckades reducera beslutsamhetsfelet till hundradelar av en procent, vilket på den tiden var mycket litet. De analyserade gaserna visade överensstämmelse med den bestämda densiteten inom mätfelet. Detta förvånade ingen, eftersom sammansättningen av kemiska föreningar inte beror på deras ursprung. Undantaget var kväve - bara det hade en annan densitet beroende på produktionsmetod. Kväve atmosfärisk (erhållen från luft efter separation av syre, vattenånga och koldioxid) har alltid varit tyngre än kemisk (erhållen genom sönderdelning av dess föreningar). Skillnaden var märkligt nog konstant och uppgick till cirka 0,1 %. Rayleigh, som inte kunde förklara detta fenomen, vände sig till andra forskare.

Hjälp erbjuds av en kemist William Ramsay. Båda forskarna drog slutsatsen att den enda förklaringen var närvaron av en blandning av en tyngre gas i kvävet som erhölls från luften. När de kom över beskrivningen av Cavendish-experimentet kände de att de var på rätt väg. De upprepade experimentet, denna gång med modern utrustning, och snart hade de ett prov av en okänd gas i sin ägo. Spektroskopisk analys har visat att det existerar separat från kända ämnen, och andra studier har visat att det existerar som separata atomer. Hittills har sådana gaser inte varit kända (vi har O₂, N-₂, H₂), så det innebar också att ett nytt element öppnades. Rayleigh och Ramsay försökte få honom argon (grekiska = lat) att reagera med andra ämnen, men till ingen nytta. För att bestämma temperaturen på dess kondens, vände de sig till den enda personen i världen vid den tiden som hade lämplig apparat. Det var Karol Olszewski, professor i kemi vid Jagiellonian University. Olshevsky förvandlade och stelnade argon och bestämde också dess andra fysiska parametrar.

Rapporten från Rayleigh och Ramsay i augusti 1894 väckte stor resonans. Forskare kunde inte tro att generationer av forskare hade försummat 1%-komponenten av luft, som finns på jorden i en mängd som är mycket större än till exempel silver. Tester från andra har bekräftat förekomsten av argon. Upptäckten ansågs med rätta vara en stor bedrift och en triumf av noggrant experiment (det sades att det nya elementet var gömt i tredje decimalen). Men ingen förväntade sig att det skulle bli...

… En hel familj av gaser.

Heliumgrupp (atomnummer överst, atommassa i botten).

Redan innan atmosfären hade analyserats grundligt, ett år senare, blev Ramsay intresserad av en geologisk tidskriftsartikel som rapporterade utsläpp av gas från uranmalmer när den exponerades för syra. Ramsay försökte igen, undersökte den resulterande gasen med ett spektroskop och såg okända spektrallinjer. Samråd med William Crooks, en specialist på spektroskopi, ledde till slutsatsen att det länge har sökts på jorden högenergilaser. Nu vet vi att detta är en av sönderfallsprodukterna av uran och torium, som finns i malmerna av naturliga radioaktiva grundämnen. Ramsay bad återigen Olszewski att göra den nya gasen flytande. Men den här gången kunde utrustningen inte uppnå tillräckligt låga temperaturer, och flytande helium erhölls inte förrän 1908.

Helium visade sig också vara en monoatomisk gas och inaktiv, som argon. Egenskaperna för båda elementen passade inte in i någon familj i det periodiska systemet och det beslutades att skapa en separat grupp för dem. [helowce_uklad] Ramsay kom till slutsatsen att det finns luckor i det, och tillsammans med sin kollega Morris Traverse påbörjade ytterligare forskning. Genom att destillera flytande luft upptäckte kemister ytterligare tre gaser 1898: neon (gr. = ny), krypton (gr. = skryty) i xenon (grekiska = främmande). Alla av dem, tillsammans med helium, finns i luften i minimala mängder, mycket mindre än argon. Den kemiska passiviteten hos de nya grundämnena fick forskare att ge dem ett gemensamt namn. ädelgaser. 

Efter misslyckade försök att separera från luften upptäcktes ytterligare ett helium som en produkt av radioaktiva omvandlingar. År 1900 Frederic Dorn Oraz Andre-Louis Debirn de märkte utsläpp av gas (emanation, som de sa då) från radium, som de kallade radon. Det märktes snart att emanationerna även avger torium och aktinium (toron och aktinon). Ramsay och Frederick Soddy bevisade att de är ett grundämne och är nästa ädelgas som de namnger niton (Latin = att glöda eftersom gasproverna glödde i mörker). År 1923 blev nithon äntligen radon, uppkallat efter den längstlevande isotopen.

Den sista av heliuminstallationerna som kompletterar det verkliga periodiska systemet erhölls 2006 vid det ryska kärnkraftslaboratoriet i Dubna. Namnet, som godkändes bara tio år senare, Oganesson, för att hedra den ryske kärnfysikern Yuri Oganesyan. Det enda som är känt om det nya grundämnet är att det är det tyngsta kända hittills och att endast ett fåtal kärnor har erhållits som har levt i mindre än en millisekund.

Kemiska missförhållanden

Tron på heliums kemiska passivitet kollapsade 1962 då Neil Bartlett han erhöll en förening med formeln Xe [PtF₆]. Kemin av xenonföreningar idag är ganska omfattande: fluorider, oxider och till och med sura salter av detta element är kända. Dessutom är de permanenta föreningar under normala förhållanden. Krypton är lättare än xenon, bildar flera fluorider, liksom det tyngre radonet (den senares radioaktivitet försvårar forskningen mycket). Å andra sidan har de tre lättaste - helium, neon och argon - inga permanenta föreningar.

Kemiska föreningar av ädelgaser med mindre ädla partners kan jämföras med de gamla misallianserna. Idag är detta koncept inte längre giltigt, och man bör inte bli förvånad över att ...

Helikoptrar, från vänster till höger: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) och Morris Travers (1872–1961); porträtt från University College Londons samling.

… aristokrater arbetar.

Helium erhålls genom att separera flytande luft i kväve- och syreväxter. Å andra sidan är heliumkällan huvudsakligen naturgas, i vilken den är upp till några procent av volymen (i Europa är den största heliumproduktionsanläggningen verksam i övervann, i Greater Poland Voivodeship). Deras första sysselsättning var att lysa i lysande rör. Numera är neonreklam fortfarande tilltalande för ögat, men heliummaterial är också grunden för vissa typer av lasrar, till exempel argonlasern som vi kommer att träffa hos tandläkaren eller kosmetologen.

Konstnärs återgivning av Xenon Ion Probe Dawn nära asteroiden Ceres.

Heliuminstallationers kemiska passivitet används för att skapa en atmosfär som skyddar mot oxidation, till exempel vid svetsning av metaller eller hermetiska livsmedelsförpackningar. Heliumfyllda lampor arbetar vid en högre temperatur (det vill säga de lyser starkare) och använder elektricitet mer effektivt. Vanligtvis används argon blandat med kväve, men krypton och xenon ger ännu bättre resultat. Den senaste användningen av xenon är som framdrivningsmaterial i jonraketframdrivning, vilket är mer effektivt än kemiskt drivmedel. Det lättaste heliumet är fyllt med väderballonger och ballonger för barn. I en blandning med syre används helium av dykare för att arbeta på stora djup, vilket hjälper till att undvika tryckfallssjuka. Den viktigaste tillämpningen av helium är att uppnå de låga temperaturer som krävs för att supraledare ska fungera.

Syre-heliumblandning säkerställer säker dykning.