Elementaarinen aristokratia

Jaksollisen taulukon jokainen rivi päättyy loppuun. Hieman yli sata vuotta sitten heidän olemassaoloaan ei edes uskottu. Sitten he hämmästyivät maailmaa kemiallisillaan ominaisuuksillaan tai pikemminkin niiden puuttumisellaan. Jo myöhemmin ne osoittautuivat loogisiksi seurauksiksi luonnonlaeista. jalokaasut.

Ajan myötä ne "ryhtyivät toimintaan", ja viime vuosisadan toisella puoliskolla niitä alettiin yhdistää vähemmän jaloisiin elementteihin. Aloitetaan tarina alkeiskorkeayhteisöstä näin:

Kauan sitten…

… Siellä oli herra.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) vanhassa luonnoksessa.

Henry Cavendish hän kuului korkeimpaan brittiläiseen aristokratiaan, mutta hän oli kiinnostunut oppimaan luonnon salaisuuksia. Vuonna 1766 hän löysi vedyn, ja XNUMX vuotta myöhemmin hän suoritti kokeen, jossa hän onnistui löytämään toisen alkuaineen. Hän halusi selvittää, sisältääkö ilma muita komponentteja jo tunnetun hapen ja typen lisäksi. Hän täytti taivutetun lasiputken ilmalla, upotti sen päät elohopeaastioihin ja ohjasi sähköpurkauksia niiden väliin. Kipinät saivat typen yhdistymään happeen ja syntyneet happamat yhdisteet imeytyivät alkaliliuokseen. Hapen puuttuessa Cavendish syötti sen putkeen ja jatkoi koetta, kunnes kaikki typpi oli poistettu. Kokeilu kesti useita viikkoja, jolloin putkessa olevan kaasun tilavuus pieneni jatkuvasti. Kun typpi oli loppunut, Cavendish poisti hapen ja havaitsi, että kupla oli edelleen olemassa, minkä hän arvioi olevan ¹/₁₂₀ alkuperäinen ilmamäärä. Herra ei kysynyt jäämien luonteesta, koska se piti vaikutusta kokemuksen virheenä. Tänään tiedämme, että hän oli hyvin lähellä avaamista argon, mutta kokeilun suorittaminen kesti yli vuosisadan.

aurinkoinen mysteeri

Auringonpimennykset ovat aina herättäneet sekä tavallisten ihmisten että tiedemiesten huomion. 18. elokuuta 1868 tätä ilmiötä tarkkailevat tähtitieteilijät käyttivät ensimmäisen kerran spektroskopia (suunniteltu alle kymmenen vuotta sitten) tutkiakseen auringon näkyvyyttä, joka oli selvästi näkyvissä tummalla levyllä. Ranskan kieli Pierre Janssen Tällä tavalla hän osoitti, että aurinkokorona koostuu pääasiassa vedystä ja muista maapallon alkuaineista. Mutta seuraavana päivänä, kun hän havainnoi aurinkoa uudelleen, hän huomasi aiemmin kuvaamattoman spektriviivan, joka sijaitsee lähellä tyypillistä keltaista natriumviivaa. Janssen ei kyennyt liittämään sitä mihinkään tuolloin tunnettuun elementtiin. Saman havainnon teki englantilainen tähtitieteilijä Norman Locker. Tiedemiehet ovat esittäneet erilaisia ​​hypoteeseja tähtemme salaperäisestä komponentista. Lockyer nimesi hänet korkean energian laser, kreikkalaisen auringon jumalan Heliosin puolesta. Useimmat tutkijat uskoivat kuitenkin, että heidän näkemänsä keltainen viiva oli osa vetyspektriä tähden erittäin korkeissa lämpötiloissa. Vuonna 1881 italialainen fyysikko ja meteorologi Luigi Palmieri tutki Vesuviuksen vulkaanisia kaasuja spektroskoopilla. Heidän spektristään hän löysi keltaisen nauhan, joka johtui heliumista. Palmieri kuvaili kuitenkin epämääräisesti kokeidensa tuloksia, eivätkä muut tutkijat vahvistaneet niitä. Tiedämme nyt, että heliumia löytyy vulkaanisista kaasuista, ja Italia saattoi todellakin olla ensimmäinen, joka havaitsi maanpäällisen heliumin spektrin.

Kuva vuodelta 1901, joka esittää Cavendishin kokeen laitteistoa

Aloitus kolmannella desimaalilla

XNUMX. vuosisadan viimeisen vuosikymmenen alussa englantilainen fyysikko Lordi Rayleigh (John William Strutt) päätti määrittää tarkasti eri kaasujen tiheydet, mikä mahdollisti myös niiden alkuaineiden atomimassan tarkan määrittämisen. Rayleigh oli ahkera kokeilija, joten hän hankki kaasuja useista eri lähteistä havaitakseen epäpuhtaudet, jotka väärentäisivät tuloksia. Hän onnistui vähentämään määrittelyvirheen prosentin sadasosiksi, mikä oli tuolloin hyvin pieni. Analysoidut kaasut osoittivat yhdenmukaisuutta määritetyn tiheyden kanssa mittausvirheen sisällä. Tämä ei yllättänyt ketään, koska kemiallisten yhdisteiden koostumus ei riipu niiden alkuperästä. Poikkeuksena oli typpi - vain sen tiheys oli erilainen tuotantomenetelmästä riippuen. Typpi ilmakehän (saatu ilmasta hapen, vesihöyryn ja hiilidioksidin erottamisen jälkeen) on aina ollut raskaampaa kuin kemiallinen (saatu sen yhdisteiden hajoamalla). Ero oli kummallista kyllä ​​vakio ja oli noin 0,1 %. Rayleigh, joka ei kyennyt selittämään tätä ilmiötä, kääntyi muiden tutkijoiden puoleen.

Apua tarjoaa kemisti William Ramsay. Molemmat tutkijat päättelivät, että ainoa selitys oli raskaamman kaasun seoksen läsnäolo ilmasta saadussa typessä. Kun he löysivät kuvauksen Cavendishin kokeesta, he tunsivat olevansa oikealla tiellä. He toistivat kokeen, tällä kertaa käyttämällä nykyaikaisia ​​laitteita, ja pian heillä oli hallussaan näyte tuntemattomasta kaasusta. Spektroskooppinen analyysi on osoittanut, että se on olemassa erillään tunnetuista aineista, ja muut tutkimukset ovat osoittaneet, että se on olemassa erillisinä atomeina. Toistaiseksi tällaisia ​​kaasuja ei ole tunnettu (meillä on O₂, N₂H₂), joten se tarkoitti myös uuden elementin avaamista. Rayleigh ja Ramsay yrittivät saada hänet argon (kreikaksi = laiska) reagoimaan muiden aineiden kanssa, mutta turhaan. Sen tiivistymislämpötilan määrittämiseksi he kääntyivät tuolloin ainoan ihmisen puoleen maailmassa, jolla oli asianmukaiset laitteet. Se oli Karol Olszewski, kemian professori Jagiellonian yliopistossa. Olshevsky nesteytti ja jähmetti argonia ja määritti myös sen muut fysikaaliset parametrit.

Rayleighin ja Ramsayn raportti elokuussa 1894 aiheutti suuren resonanssin. Tutkijat eivät voineet uskoa, että tutkijoiden sukupolvet olisivat jättäneet huomioimatta 1 %:n ilman komponentin, jota on maapallolla paljon enemmän kuin esimerkiksi hopeaa. Muiden tekemät testit ovat vahvistaneet argonin olemassaolon. Löytöä pidettiin perustellusti suurena saavutuksena ja huolellisen kokeilun voittona (sanottiin, että uusi elementti oli piilotettu kolmanteen desimaaliin). Kukaan ei kuitenkaan odottanut, että siellä olisi...

… Kokonainen kaasuperhe.

Heliumryhmä (atominumero ylhäällä, atomimassa alhaalla).

Jo ennen kuin ilmakehä oli analysoitu perusteellisesti, vuotta myöhemmin, Ramsay kiinnostui geologian aikakauslehtiartikkelista, joka raportoi kaasun vapautumisesta uraanimalmeista, kun ne altistettiin hapolle. Ramsay yritti uudelleen, tutki syntynyttä kaasua spektroskoopilla ja näki tuntemattomia spektriviivoja. Konsultointi kanssa William Crookes, spektroskopian asiantuntija, johti siihen johtopäätökseen, että sitä on etsitty pitkään maapallolla korkean energian laser. Nyt tiedämme, että tämä on yksi uraanin ja toriumin hajoamistuotteista, jotka sisältyvät luonnollisten radioaktiivisten alkuaineiden malmeihin. Ramsay pyysi jälleen Olszewskia nesteyttämään uuden kaasun. Tällä kertaa laitteet eivät kuitenkaan kyenneet saavuttamaan riittävän alhaisia ​​lämpötiloja, ja nestemäistä heliumia saatiin vasta vuonna 1908.

Helium osoittautui myös yksiatomiksi kaasuksi ja inaktiiviseksi, kuten argon. Molempien elementtien ominaisuudet eivät mahtuneet mihinkään jaksollisen järjestelmän perheeseen ja niille päätettiin luoda erillinen ryhmä. [helowce_uklad] Ramsay tuli siihen tulokseen, että siinä on aukkoja, ja yhdessä kollegansa kanssa Morrisem Traversem aloitti lisätutkimukset. Tislaamalla nestemäistä ilmaa kemistit löysivät kolme muuta kaasua vuonna 1898: neon (gr. = uusi), krypton (gr. = skryty) i xenon (kreikka = ulkomaalainen). Niitä kaikkia, yhdessä heliumin kanssa, on ilmassa pieninä määrinä, paljon vähemmän kuin argon. Uusien alkuaineiden kemiallinen passiivisuus sai tutkijat antamaan niille yleisen nimen. jalokaasut. 

Epäonnistuneiden ilmasta eroamisyritysten jälkeen löydettiin toinen helium radioaktiivisten muutosten tuotteena. Vuonna 1900 Frederick Dorn Oraz Andre-Louis Debirn he huomasivat kaasun vapautumisen (kuten he sanoivat silloin) radiumista, jota he kutsuivat radon. Pian huomattiin, että emanaatiot emittoivat myös toriumia ja aktiniumia (toronia ja aktinonia). Ramsay ja Frederick Soddy osoittivat, että ne ovat yksi alkuaine ja seuraava jalokaasu, jonka he nimesivät nitonia (Latina = hehkua, koska kaasunäytteet hehkuivat pimeässä). Vuonna 1923 nitonista tuli lopulta radon, joka nimettiin pisimpään eläneen isotoopin mukaan.

Viimeinen todellisen jaksollisen järjestelmän sulkevista heliumlaitteistoista saatiin vuonna 2006 Dubnassa sijaitsevasta venäläisestä ydinlaboratoriosta. Nimi, joka hyväksyttiin vasta kymmenen vuotta myöhemmin, Oganesson, venäläisen ydinfyysikon kunniaksi Juri Oganesyan. Uudesta elementistä tiedetään vain, että se on raskain tähän mennessä tunnettu ja että on saatu vain muutama ydin, jotka ovat eläneet alle millisekunnin.

Kemialliset ristiriidat

Usko heliumin kemialliseen passiivisuuteen romahti vuonna 1962, jolloin Neil Bartlett hän sai yhdisteen, jolla on kaava Xe [PtF₆]. Ksenonyhdisteiden kemia on nykyään melko laaja: tämän alkuaineen fluorideja, oksideja ja jopa happamia suoloja tunnetaan. Lisäksi ne ovat pysyviä yhdisteitä normaaleissa olosuhteissa. Kryptoni on kevyempää kuin ksenoni, muodostaa useita fluorideja, samoin kuin raskaampi radon (jälkimmäisen radioaktiivisuus vaikeuttaa tutkimusta huomattavasti). Toisaalta kolmessa kevyimmässä - heliumissa, neonissa ja argonissa - ei ole pysyviä yhdisteitä.

Jalokaasujen kemiallisia yhdisteitä, joissa on vähemmän jaloja kumppaneita, voidaan verrata vanhoihin liittoutumiin. Nykyään tämä käsite ei ole enää voimassa, eikä pitäisi olla yllättynyt siitä, että ...

Helikopterit, vasemmalta oikealle: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) ja Morris Travers (1872–1961); muotokuva University College Londonin kokoelmasta.

…aristokraatit työskentelevät.

Heliumia saadaan erottamalla nesteytetty ilma typpi- ja happikasveista. Toisaalta heliumin lähde on pääosin maakaasu, jossa sitä on jopa muutama prosentti määrästä (Euroopassa suurin heliumin tuotantolaitos toimii v. vastustin, Suur-Puolan voivodikunta). Heidän ensimmäinen ammattinsa oli loistaa valoputkissa. Nykyään neonmainonta miellyttää edelleen silmää, mutta heliummateriaalit ovat myös joidenkin lasertyyppien, kuten hammaslääkärin tai kosmetologin luona tapaavan argonlaserin, perusta.

Taiteilijan esitys Xenon Ion Probe Dawnista lähellä Ceres-asteroidia.

Heliumasennuksien kemiallista passiivisuutta käytetään hapettumiselta suojaavan ilmapiirin luomiseen esimerkiksi metallien tai hermeettisten elintarvikepakkausten hitsauksessa. Heliumtäytteiset lamput toimivat korkeammassa lämpötilassa (eli loistavat kirkkaammin) ja käyttävät sähköä tehokkaammin. Yleensä argonia käytetään typen kanssa sekoitettuna, mutta krypton ja ksenon antavat vielä parempia tuloksia. Ksenonin viimeisin käyttö on propulsiomateriaalina ionirakettien propulsiossa, joka on tehokkaampi kuin kemiallinen propulsio. Kevyin helium on täytetty sääilmapalloilla ja lasten ilmapalloilla. Seoksena hapen kanssa sukeltajat käyttävät heliumia työskennelläkseen suurissa syvyyksissä, mikä auttaa välttämään dekompressiotautia. Heliumin tärkein sovelluskohde on saavuttaa suprajohteiden toiminnan edellyttämät alhaiset lämpötilat.

Happi-helium-seos varmistaa turvallisen sukelluksen.