Elementaarne aristokraatia

Iga perioodilise tabeli rida lõpeb lõpus. Veidi üle saja aasta tagasi ei osatud nende olemasolust isegi arvata. Siis hämmastasid nad maailma oma keemiliste omaduste või õigemini puudumisega. Veel hiljem osutusid need loodusseaduste loogiliseks tagajärjeks. väärisgaasid.

Aja jooksul nad "astusid tegutsema" ja eelmise sajandi teisel poolel hakati neid seostama vähem üllaste elementidega. Alustame elementaarse kõrgseltskonna lugu järgmiselt:

Kaua aega tagasi…

… Seal oli isand.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) vanal visandil.

Henry Cavendish ta kuulus Briti kõrgeimasse aristokraatiasse, kuid ta oli huvitatud looduse saladuste õppimisest. 1766. aastal avastas ta vesiniku ja XNUMX aastat hiljem viis ta läbi katse, mille käigus suutis leida veel ühe elemendi. Ta soovis välja selgitada, kas õhk sisaldab peale juba tuntud hapniku ja lämmastiku ka muid komponente. Ta täitis painutatud klaastoru õhuga, kastis selle otsad elavhõbedaanumatesse ja lasi nende vahel elektrilahendusi. Sädemed põhjustasid lämmastiku ühinemise hapnikuga ja tekkinud happelised ühendid neelasid leeliselahuses. Hapniku puudumisel söötis Cavendish selle torusse ja jätkas katset, kuni kogu lämmastik oli eemaldatud. Katse kestis mitu nädalat, mille jooksul gaasi maht torus pidevalt vähenes. Kui lämmastik oli ammendatud, eemaldas Cavendish hapniku ja leidis, et mull oli endiselt olemas, mis tema hinnangul oli ¹/₁₂₀ esialgne õhuhulk. Jääkide olemuse kohta Issand ei küsinud, pidades mõju kogemusveaks. Täna teame, et ta oli avamisele väga lähedal argoon, kuid katse lõpuleviimiseks kulus rohkem kui sajand.

päikese müsteerium

Päikesevarjutused on alati pälvinud nii tavainimeste kui ka teadlaste tähelepanu. 18. augustil 1868 kasutasid seda nähtust vaatlevad astronoomid esimest korda spektroskoopi (mõeldud vähem kui kümme aastat tagasi), et uurida päikesepaistvusi, mis on tumenenud kettaga selgelt nähtavad. prantsuse keel Pierre Janssen sel viisil tõestas ta, et päikesekroon koosneb peamiselt vesinikust ja teistest maakera elementidest. Kuid järgmisel päeval taas Päikest vaadeldes märkas ta varem kirjeldamata spektrijoont, mis paiknes naatriumile iseloomuliku kollase joone lähedal. Janssen ei suutnud seda omistada ühelegi sel ajal tuntud elemendile. Sama tähelepaneku tegi inglise astronoom normanni kapp. Teadlased on meie tähe salapärase komponendi kohta esitanud erinevaid hüpoteese. Lockyer andis talle nime suure energiaga laser, kreeka päikesejumala Heliose nimel. Enamik teadlasi uskus aga, et kollane joon, mida nad nägid, oli osa vesiniku spektrist tähe ülikõrgetel temperatuuridel. 1881. aastal Itaalia füüsik ja meteoroloog Luigi Palmieri uuris spektroskoobi abil Vesuuvi vulkaanilisi gaase. Nende spektrist leidis ta heeliumile omistatud kollase riba. Palmieri kirjeldas aga ebamääraselt oma katsete tulemusi ja teised teadlased neid ei kinnitanud. Nüüd teame, et heeliumi leidub vulkaanilistes gaasides ja Itaalia võis tõepoolest olla esimene, kes vaatles maapealse heeliumi spektrit.

Illustratsioon aastast 1901, mis näitab Cavendishi eksperimendi seadet

Avamine kolmandas kümnendkohas

XNUMX sajandi viimase kümnendi alguses inglise füüsik Lord Rayleigh (John William Strutt) otsustas täpselt määrata erinevate gaaside tihedused, mis võimaldas ka täpselt määrata nende elementide aatommassi. Rayleigh oli usin eksperimenteerija, mistõttu hankis ta gaase väga erinevatest allikatest, et tuvastada lisandeid, mis võiksid tulemusi võltsida. Ta suutis vähendada määramisviga sajandikprotsendini, mis tol ajal oli väga väike. Analüüsitud gaasid näitasid vastavust määratud tihedusele mõõtevea piires. See ei üllatanud kedagi, kuna keemiliste ühendite koostis ei sõltu nende päritolust. Erandiks oli lämmastik – ainult selle tihedus oli olenevalt tootmismeetodist erinev. Lämmastik atmosfääriline (saadud õhust pärast hapniku, veeauru ja süsinikdioksiidi eraldamist) on alati olnud raskem kui keemiline (saadud selle ühendite lagunemisel). Erinevus oli kummalisel kombel konstantne ja ulatus umbes 0,1%-ni. Rayleigh, kes ei suutnud seda nähtust selgitada, pöördus teiste teadlaste poole.

Abi pakub keemik William Ramsay. Mõlemad teadlased jõudsid järeldusele, et ainus seletus oli raskema gaasi segu olemasolu õhust saadavas lämmastikus. Cavendishi katse kirjeldusele sattudes tundsid nad, et on õigel teel. Nad kordasid katset, kasutades seekord kaasaegseid seadmeid, ja peagi oli nende valduses tundmatu gaasi proov. Spektroskoopiline analüüs on näidanud, et see eksisteerib teadaolevatest ainetest eraldi ja teised uuringud on näidanud, et see eksisteerib eraldi aatomitena. Seni pole selliseid gaase teada (meil on O₂, N₂, H₂), seega tähendas see ka uue elemendi avamist. Rayleigh ja Ramsay püüdsid teda teha argoon (kreeka keeles = laisk) reageerima teiste ainetega, kuid tulutult. Selle kondenseerumistemperatuuri määramiseks pöördusid nad sel ajal ainsa inimese poole maailmas, kellel oli vastav aparaat. See oli Karol Olszewski, Jagelloonia ülikooli keemiaprofessor. Olševski veeldas ja tahkestas argooni ning määras kindlaks ka selle muud füüsikalised parameetrid.

Rayleighi ja Ramsay aruanne augustis 1894 tekitas suurt vastukaja. Teadlased ei suutnud uskuda, et teadlaste põlvkonnad on jätnud tähelepanuta 1% õhukomponendi, mida Maal leidub palju rohkem kui näiteks hõbedat. Teiste tehtud katsed on kinnitanud argooni olemasolu. Avastust peeti õigustatult suureks saavutuseks ja hoolika katse võidukäiguks (öeldi, et uus element oli peidetud kolmandasse komakohta). Kuid keegi ei oodanud, et seal on ...

… Terve perekond gaase.

Heeliumirühm (ülaosas aatomnumber, all aatommass).

Juba enne seda, kui atmosfääri oli põhjalikult analüüsitud, hakkas Ramsay aasta hiljem huvi tundma geoloogiaajakirja artikli vastu, milles kirjeldati uraanimaakide gaasi eraldumist happega kokkupuutel. Ramsay proovis uuesti, uuris tekkinud gaasi spektroskoobiga ja nägi tundmatuid spektrijooni. Konsultatsioon koos William Crooks, spektroskoopia spetsialist, jõudis järeldusele, et seda on Maalt juba ammu otsitud suure energiaga laser. Nüüd teame, et see on üks uraani ja tooriumi lagunemissaadustest, mis sisalduvad looduslike radioaktiivsete elementide maakides. Ramsay palus taas Olszewskil uut gaasi veeldada. Kuid seekord ei suutnud seadmed piisavalt madalaid temperatuure saavutada ja vedelat heeliumi saadi alles 1908. aastal.

Heelium osutus samuti üheaatomiliseks gaasiks ja mitteaktiivseks, nagu argoon. Mõlema elemendi omadused ei mahtunud ühte perioodilisustabeli perekonda ja nende jaoks otsustati luua eraldi rühm. [helowce_uklad] Ramsay jõudis koos kolleegiga järeldusele, et selles on lünki Morris Traverse alustas täiendavaid uuringuid. Vedelat õhku destilleerides avastasid keemikud 1898. aastal veel kolm gaasi: neoon (gr. = uus), krüptoon (gr. = skryty) i ksenoon (kreeka = võõras). Neid kõiki koos heeliumiga on õhus minimaalsetes kogustes, palju vähem kui argooni. Uute elementide keemiline passiivsus ajendas teadlasi andma neile üldnimetuse. väärisgaasid. 

Pärast ebaõnnestunud katseid õhust eralduda avastati radioaktiivsete muundumiste saadusena veel üks heelium. Aastal 1900 Frederick Dorn Oraz Andre-Louis Debirn nad märkasid gaasi (nagu nad siis ütlesid) eraldumist raadiumist, mida nad kutsusid radoon. Peagi märgati, et emanatsioonid eraldavad ka tooriumit ja aktiiniumi (toron ja aktinon). Ramsay ja Frederick Soddy tõestasid, et need on üks element ja on järgmine väärisgaas, mille nad nimetasid nitoon (Ladina = helendama, sest gaasiproovid helendasid pimedas). 1923. aastal sai nitoonist lõpuks radoon, mis sai nime pikima elueaga isotoobi järgi.

Viimane tegelikku perioodilisustabelit sulgevatest heeliumiseadmetest saadi 2006. aastal Dubnas asuvast Venemaa tuumalaborist. Alles kümme aastat hiljem kinnitatud nimi Oganesson, Vene tuumafüüsiku auks Juri Oganesjan. Uue elemendi kohta on teada vaid see, et see on seni teadaolevalt raskeim ning saadud on vaid üksikud tuumad, mis on elanud vähem kui millisekundi.

Keemilised lahkhelid

Usk heeliumi keemilisesse passiivsusse varises kokku 1962. aastal, kui Neil Bartlett ta sai ühendi valemiga Xe [PtF₆]. Ksenoonühendite keemia on tänapäeval üsna ulatuslik: on teada selle elemendi fluoriide, oksiide ja isegi happesooli. Lisaks on need normaalsetes tingimustes püsivad ühendid. Krüpton on ksenoonist kergem, moodustab mitu fluoriidi, nagu ka raskem radoon (viimase radioaktiivsus muudab uurimistöö palju raskemaks). Seevastu kolmel kõige kergemal – heeliumil, neoonil ja argoonil – püsivad ühendid puuduvad.

Väärisgaaside keemilisi ühendeid, millel on vähem õilsad partnerid, võib võrrelda vanade misliitudega. Tänapäeval see kontseptsioon enam ei kehti ja ei tasu imestada, et ...

Helikopterid, vasakult paremale: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) ja Morris Travers (1872–1961); portree University College Londoni kollektsioonist.

... aristokraadid töötavad.

Heeliumi saadakse veeldatud õhu eraldamisel lämmastiku- ja hapnikutaimedes. Seevastu heeliumi allikas on peamiselt maagaas, milles seda on kuni paar protsenti mahust (Euroopas tegutseb suurim heeliumi tootmistehas a. Ületatud, Suur-Poola vojevoodkonnas). Nende esimene amet oli valgustorudes särada. Tänapäeval rõõmustab ikka veel neoonreklaam, kuid heeliummaterjalid on aluseks ka teatud tüüpi laseritele, näiteks argoonlaserile, millega kohtume hambaarsti või kosmeetiku juures.

Kunstniku renderdus Xenon Ion Probe Dawnist asteroidi Cerese lähedal.

Heeliumipaigaldiste keemilist passiivsust kasutatakse oksüdatsiooni eest kaitsva atmosfääri loomiseks näiteks metallide või hermeetiliste toidupakendite keevitamisel. Heeliumiga täidetud lambid töötavad kõrgemal temperatuuril (st säravad eredamalt) ja kasutavad elektrit tõhusamalt. Tavaliselt kasutatakse argooni segatuna lämmastikuga, kuid krüptoon ja ksenoon annavad veelgi paremaid tulemusi. Ksenooni uusim kasutusala on ioonrakettide tõukejõu materjal, mis on tõhusam kui keemiline raketikütus. Kergeim heelium on täidetud ilma- ja lastele mõeldud õhupallidega. Segus hapnikuga kasutavad heeliumi sukeldujad suurel sügavusel töötamiseks, mis aitab vältida dekompressioonihaigust. Heeliumi kõige olulisem rakendus on ülijuhtide toimimiseks vajalike madalate temperatuuride saavutamine.

Hapniku-heeliumi segu tagab ohutu sukeldumise.