Стыхійная арыстакратыя

Кожны радок перыядычнай табліцы заканчваецца ў канцы. Крыху больш за сто гадоў таму іх існаванне нават не меркавалася. Тады яны ўразілі свет сваімі хімічнымі ўласцівасцямі, а дакладней іх адсутнасцю. Яшчэ пазней яны аказаліся лагічным следствам законаў прыроды. Высакародныя газы.

З часам яны "пайшлі ў справу", а ў другой палове мінулага стагоддзя іх сталі звязваць з менш высакароднымі элементамі. Пачнём аповяд аб элементарным вышэйшым грамадстве так:

Даўным даўно…

... Быў лорд.

Лорд Генры Кавендыш (1731-1810) на старажытным эскізе.

Генры Кавендыш ён належаў да вышэйшай брытанскай арыстакратыі, але яго цікавіла вывучэнне таямніц прыроды. У 1766 годзе ён адкрыў вадарод, а праз дзевятнаццаць гадоў правёў эксперымент, падчас якога змог знайсці яшчэ адзін элемент. Ён хацеў высветліць, ці ўтрымлівае паветра, акрамя ўжо вядомых кіслароду і азоту, яшчэ і іншыя кампаненты. Сагнутую шкляную трубку ён напаўняў паветрам, апускаў яе канцы ў ртутныя пасудзіны і прапускаў паміж імі электрычныя разрады. Іскры прымусілі азот злучыцца з кіслародам, і якія ўтварыліся кіслотныя злучэнні былі паглынуты растворам шчолачы. У адсутнасць кіслароду Кавендыш падаваў яго ў трубку і працягваў эксперымент да таго часу, пакуль не быў выдалены ўвесь азот. Эксперымент доўжыўся некалькі тыдняў, на працягу якіх аб'ём газу ў трубе ўвесь час памяншаўся. Як толькі азот быў вычарпаны, Кавендыш выдаліў кісларод і выявіў, што бурбалка ўсё яшчэ існуе, які ён ацаніў як ¹/₁₂₀ пачатковы аб'ём паветра. Гасподзь не стаў пытацца аб прыродзе рэшткаў, палічыўшы эфект памылкай досведу. Сёння мы ведаем, што ён быў вельмі блізкі да адкрыцця аргон, Але на завяршэнне эксперыменту сышло больш за стагоддзе.

Сонечная таямніца

Сонечныя зацьменні заўсёды прыцягвалі ўвагу як простых людзей, так і вучоных. 18 жніўня 1868 года астраномы, якія назіралі гэтую з'яву, упершыню выкарыстоўвалі спектраскоп (сканструяваны менш за дзесяць гадоў таму) для вывучэння сонечных пратуберанцаў, добра бачных з прыцемненым дыскам. Французская П'ер Янсэн такім чынам ён даказаў, што сонечная карона складаецца ў асноўным з вадароду і іншых элементаў зямлі. Але на наступны дзень, зноў назіраючы за Сонцам, ён заўважыў неапісаную раней спектральную лінію, размешчаную паблізу характэрнай жоўтай лініі натрыю. Янсэн не змог прыпісаць яго якому-небудзь вядомаму ў той час элементу. Тое ж назіранне зрабіў і англійскі астраном Норман Локер. Навукоўцы вылучылі розныя гіпотэзы аб загадкавым кампаненце нашай зоркі. Лак'ер даў яму імя высокаэнергетычны лазер, ад імя грэцкага бога сонца – Геліяса. Аднак большасць вучоных лічылі, што жоўтая лінія, якую яны бачылі, была часткай спектру вадароду пры надзвычай высокіх тэмпературах зоркі. У 1881 годзе італьянскі фізік і метэаролаг Луіджы Пальм'еры вывучаў вулканічныя газы Везувія з дапамогай спектраскопа. У іх спектры ён выявіў жоўтую паласу, якая прыпісваецца гелію. Аднак Пальміеры туманна апісаў вынікі сваіх эксперыментаў, і іншыя вучоныя іх не пацвердзілі. Цяпер мы ведаем, што гелій знаходзіцца ў вулканічных газах, і Італія, магчыма, сапраўды была першай, хто назіраў спектр зямнога гелія.

Ілюстрацыя 1901 года, якая паказвае апарат для эксперыменту Кавендыш.

Адкрыццё ў трэцім дзесятковым знаку

У пачатку апошняга дзесяцігоддзя XNUMX стагоддзі ангельскі фізік лорд Рэлей (Джон Уільям Струт) вырашыў дакладна вызначыць шчыльнасці розных газаў, што дазволіла таксама дакладна вызначыць атамныя масы іх элементаў. Рэлей быў руплівым эксперыментатарам, таму ён атрымліваў газы з самых розных крыніц, каб выявіць прымешкі, якія фальсіфікуюць вынікі. Яму ўдалося зменшыць хібнасць вызначэння да сотых доляў працэнта, што па тых часах было вельмі мала. Аналізуемыя газы паказалі адпаведнасць вызначанай шчыльнасці ў межах хібнасці вымярэння. Гэта нікога не здзівіла, бо састаў хімічных злучэнняў не залежыць ад іх паходжання. Выключэнне складаў азот - толькі ён меў розную шчыльнасць у залежнасці ад спосабу атрымання. Азот атмасферны (атрыманы з паветра пасля падзелу кіслароду, пары вады і вуглякіслага газу) заўсёды быў цяжэй, чым хімічны (атрыманы пры раскладанні яго злучэнняў). Розніца, як ні дзіўна, была сталай і складала каля 0,1%. Рэлей, не ў сілах растлумачыць гэтую з'яву, звярнуўся да іншых навукоўцаў.

Дапамога прапанаваў хімік Уільям Рамсей. Абодва навукоўцаў прыйшлі да высновы, што адзіным тлумачэннем была наяўнасць прымешкі цяжэйшага газу ў азоце, які атрымліваецца з паветра. Калі яны натыкнуліся на апісанне эксперыменту Кавендыш, яны адчулі, што знаходзяцца на правільным шляху. Яны паўтарылі эксперымент, на гэты раз з выкарыстаннем сучаснага абсталявання, і неўзабаве ў іх распараджэнні аказаўся ўзор невядомага газу. Спектраскапічны аналіз паказаў, што ён існуе асобна ад вядомых рэчываў, а іншыя даследаванні паказалі, што ён існуе ў выглядзе асобных атамаў. Да гэтага часу такія газы не былі вядомыя (у нас ёсць O₂, N₂, H₂), так што гэта таксама азначала адкрыццё новага элемента. Рэлей і Рамзі спрабавалі прымусіць яго аргон (грэч. = лянівы) рэагаваць з іншымі рэчывамі, але безвынікова. Каб вызначыць тэмпературу яго кандэнсацыі, яны звярнуліся да адзінага ў той час у свеце чалавека, які меў адпаведны апарат. Гэта было Караль Альшэўскі, прафесар хіміі Ягелонскага ўніверсітэта. Альшэўскі звадкаваў і цвярдзеў аргон, а таксама вызначаў іншыя яго фізічныя параметры.

Даклад Рэлея і Рамзі ў жніўні 1894 г. выклікаў вялікі рэзананс. Навукоўцы не маглі паверыць, што цэлыя пакаленні даследнікаў грэбавалі 1-адсоткавым складнікам паветра, якая прысутнічае на Зямлі ў колькасці, значна якая перавышае, напрыклад, срэбра. Выпрабаванні іншых пацвердзілі існаванне аргону. Адкрыццё па праве лічылася вялікім дасягненнем і трыўмфам дбайнага эксперыменту (казалі, што новы элемент хаваецца ў трэцім дзесятковым знаку). Аднак ніхто не чакаў, што будзе...

… Цэлае сямейства газаў.

Група гелія (атамны нумар уверсе, атамная маса ўнізе).

Яшчэ да таго, як атмасфера была старанна прааналізавана, праз год Рамзі зацікавіўся нататкай у геалагічным часопісе, у якой паведамлялася аб выдзяленні газу з уранавых руд пры ўздзеянні кіслаты. Рамзі паўтарыў спробу, даследаваў які ўтварыўся газ спектраскопам і ўбачыў незнаёмыя спектральныя лініі. Кансультацыя з Уільям Крукс, спецыяліст па спектраскапіі, дазволіў зрабіць выснову, што яго даўно шукаюць на Зямлі высокаэнергетычны лазер. Цяпер мы ведаем, што гэта адзін з прадуктаў распаду ўрану і торыя, заключаны ў рудах прыродных радыеактыўных элементаў. Рамзі зноў папрасіў Альшэўскага звадкаваць новы газ. Аднак гэтым разам магчымасці абсталявання не дазвалялі дамагчыся досыць нізкіх тэмператур, і вадкі гелій не быў атрыманы да 1908 гады.

Гелій таксама аказаўся аднаатамным газам і неактыўным, як аргон. Уласцівасці абодвух элементаў не ўкладваліся ні ў адну сямейства табліцы Мендзялеева і было вырашана стварыць для іх асобную групу. [helowce_uklad] Рамзі прыйшоў да высновы, што ў ім ёсць прабелы, і разам са сваім калегам Морысэм Траверсэм пачаў далейшыя даследаванні. Пераганяючы вадкае паветра, хімікі ў 1898 годзе адкрылі яшчэ тры газы: неонавы (гр. = новы), крыптон (gr. = skryty) i ксенон (грэцкі = замежны). Усе яны разам з геліем прысутнічаюць у паветры ў мінімальных колькасцях, нашмат менш, чым аргону. Хімічная пасіўнасць новых элементаў наштурхнула даследчыкаў на думку даць ім агульную назву. высакародныя газы. 

Пасля беспаспяховых спроб аддзяліць ад паветра быў знойдзены яшчэ адзін гелій як прадукт радыеактыўных ператварэнняў. У 1900 годзе Фрэдэрык Дорн Цяпер Андрэ-Луі Дэбірн яны заўважылі выдзяленне газу (эманацыю, як тады казалі) з радыя, названага імі радон. Неўзабаве было заўважана, што эманацыі таксама вылучаюць торый і актыній (торон і акцінон). Рамзі і Фрэдэрык Содзі даказалі, што яны з'яўляюцца адным элементам і з'яўляюцца наступным высакародным газам, які яны назвалі нітон (Лацінскае = свяціцца, таму што ўзоры газу свяціліся ў цемры). У 1923 годзе нітон нарэшце стаў радонам, названым у гонар самага доўгажывучага ізатопа.

Апошняя з геліевых установак, якія замыкаюць сапраўдную табліцу Мендзялеева, была атрымана ў 2006 годзе ў расійскай ядзернай лабараторыі ў Дубне. Назва, зацверджаная толькі праз дзесяць гадоў, Аганэсан, у гонар расійскага фізіка-ядзершчыка Юрый Аганесян. Адзінае, што вядома аб новым элеменце, гэта тое, што ён з'яўляецца самым цяжкім з вядомых да гэтага часу і што было атрымана ўсяго некалькі ядраў, якія жылі менш за мілісекунды.

Хімічныя мезальянсы

Вера ў хімічную пасіўнасць геліяў абрынулася ў 1962 г., калі Ніл Бартлетт ён атрымаў злучэнне формулы Xe [PtF₆]. Хімія злучэнняў ксенону сёння дастаткова шырокая: вядомыя фтарыды, аксіды і нават кіслыя солі гэтага элемента. Акрамя таго, яны з'яўляюцца пастаяннымі злучэннямі пры нармальных умовах. Криптон лягчэй ксенону, утворыць некалькі фтарыдаў, як і цяжэйшы радон (радыеактыўнасць апошняга значна ўскладняе даследаванні). З іншага боку, тры найлягчэйшых — гелій, неон і аргон — не маюць сталых злучэнняў.

Хімічныя злучэнні высакародных газаў з менш высакароднымі партнёрамі можна параўнаць са старымі мезальянсу. Сёння гэтая канцэпцыя ўжо не дзейнічае, і не варта дзівіцца таму, што і…

Верталётчыкі злева направа: лорд Рэлей (Джон Уільям Струт, 1842–1919), сэр Уільям Рамзі (1852–1916) і Морыс Трэверс (1872–1961); партрэт са збору Універсітэцкага каледжа Лондана.

… арыстакраты працуюць.

Гелій атрымліваюць падзелам звадкаванага паветра на азотных і кіслародных усталёўках. З іншага боку, крыніцай гелія з'яўляецца ў асноўным прыродны газ, у якім ён складае да некалькіх працэнтаў аб'ёму (у Еўропе найбуйнейшая ўстаноўка па вытворчасці гелія працуе ў Адолелі, у Вялікапольскім ваяводстве). Іх першым заняткам было свяціць у святлівых трубках. У наш час неонавая рэклама па-ранейшаму цешыць вока, але геліявыя матэрыялы таксама з'яўляюцца асновай некаторых тыпаў лазераў, такіх як аргонавы лазер, з якім мы сустрэнемся ў стаматолага ці касметолага.

Мастацкае бачанне зонда Dawn з ксенонавым іённым рухавіком паблізу астэроіда Цэрэра.

Хімічная пасіўнасць геліевых установак выкарыстоўваецца для стварэння атмасферы, якая абараняе ад акіслення, напрыклад, пры зварцы металаў ці герметычнаму пакаванню харчовых прадуктаў. Лямпы, напоўненыя геліем, працуюць пры больш высокай тэмпературы (гэта значыць свецяць ярчэй) і больш эфектыўна выкарыстоўваюць электраэнергію. Звычайна аргон выкарыстоўваюць у сумесі з азотам, а крыптон і ксенон даюць яшчэ лепшыя вынікі. Апошняе выкарыстанне ксенону - гэта рухальны матэрыял у іённым ракетным рухавіку, які больш эфектыўны, чым рухавікі на хімічным паліве. Самым лёгкім геліем напоўнены метэазонды і паветраныя шары для дзяцей. У сумесі з кіслародам гелій выкарыстоўваецца вадалазамі для працы на вялікіх глыбінях, што дазваляе пазбегнуць кесоннай хваробы. Найбольш важным ужываннем гелія з'яўляецца дасягненне нізкіх тэмператур, неабходных для функцыянавання звышправаднікоў.

Кіслародна-геліевая сумесь забяспечвае бяспечнае апусканне.