Elementarna aristokracija

Svaki red periodnog sustava završava na kraju. Prije nešto više od stotinu godina njihovo postojanje nije se ni pretpostavljalo. Tada su zadivili svijet svojim kemijskim svojstvima, odnosno odsutnošću. Čak se i kasnije pokazalo da su logična posljedica zakona prirode. plemeniti plinovi.

S vremenom su "pošli u akciju", a u drugoj polovici prošlog stoljeća počeli su se povezivati ​​s manje plemenitim elementima. Započnimo priču o elementarnom visokom društvu ovako:

Davno ...

... Bio je jedan gospodar.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) u staroj skici.

Henry Cavendish pripadao je najvišoj britanskoj aristokraciji, ali ga je zanimalo upoznavanje tajni prirode. Godine 1766. otkrio je vodik, a devetnaest godina kasnije proveo je pokus u kojem je uspio pronaći još jedan element. Želio je saznati sadrži li zrak i druge komponente osim već poznatih kisika i dušika. Napunio je savijenu staklenu cijev zrakom, uronio njezine krajeve u posude sa živom i propuštao električna pražnjenja između njih. Iskre su uzrokovale spajanje dušika s kisikom, a nastali kiseli spojevi su apsorbirani u otopini lužine. U nedostatku kisika, Cavendish ga je ubacio u epruvetu i nastavio eksperiment sve dok se sav dušik ne ukloni. Eksperiment je trajao nekoliko tjedana, tijekom kojih se volumen plina u cijevi stalno smanjivao. Nakon što je dušik iscrpljen, Cavendish je uklonio kisik i otkrio da mjehur još uvijek postoji, za koji je procijenio da je ¹/₁₂₀ početni volumen zraka. Gospodin nije pitao za prirodu ostataka, smatrajući da je učinak pogreška iskustva. Danas znamo da je bio vrlo blizu otvaranja argon, ali je trebalo više od stoljeća da se eksperiment dovrši.

solarna misterija

Pomrčine Sunca oduvijek su privlačile pozornost i običnih ljudi i znanstvenika. Dana 18. kolovoza 1868. astronomi koji su promatrali ovaj fenomen prvi su put upotrijebili spektroskop (dizajniran prije manje od deset godina) za proučavanje sunčevih prominencija, jasno vidljivih zamračenim diskom. francuski Pierre Janssen na taj je način dokazao da se solarna korona sastoji uglavnom od vodika i drugih elemenata zemlje. Ali sljedeći dan, dok je ponovno promatrao Sunce, primijetio je dotad neopisanu spektralnu liniju koja se nalazi u blizini karakteristične žute linije natrija. Janssen ga nije mogao pripisati niti jednom poznatom elementu u to vrijeme. Isto je zapažao i engleski astronom Norman Locker. Znanstvenici su iznijeli razne hipoteze o tajanstvenoj komponenti naše zvijezde. Lockyer ga je nazvao laser visoke energije, u ime grčkog boga sunca - Heliosa. Međutim, većina znanstvenika vjeruje da je žuta linija koju su vidjeli dio spektra vodika na ekstremno visokim temperaturama zvijezde. 1881. talijanski fizičar i meteorolog Luigi Palmieri proučavao vulkanske plinove Vezuva pomoću spektroskopa. U njihovom spektru pronašao je žutu traku koja se pripisuje heliju. Međutim, Palmieri je neodređeno opisao rezultate svojih eksperimenata, a drugi znanstvenici ih nisu potvrdili. Sada znamo da se helij nalazi u vulkanskim plinovima, a Italija je možda bila prva koja je promatrala zemaljski spektar helija.

Ilustracija iz 1901. koja prikazuje aparat za Cavendishov eksperiment

Otvaranje na trećem decimalu

Početkom posljednjeg desetljeća XNUMX. stoljeća engleski fizičar Lord Rayleigh (John William Strutt) odlučio je točno odrediti gustoće raznih plinova, što je omogućilo i točno određivanje atomskih masa njihovih elemenata. Rayleigh je bio vrijedan eksperimentator, pa je dobivao plinove iz raznih izvora kako bi otkrio nečistoće koje bi krivotvorile rezultate. Uspio je svesti pogrešku determinacije na stotinke postotka, što je u to vrijeme bilo vrlo malo. Analizirani plinovi su pokazali usklađenost s utvrđenom gustoćom unutar pogreške mjerenja. To nikoga nije iznenadilo, jer sastav kemijskih spojeva ne ovisi o njihovom podrijetlu. Izuzetak je bio dušik – samo što je imao različitu gustoću ovisno o načinu proizvodnje. Dušik atmosferski (dobiven iz zraka nakon odvajanja kisika, vodene pare i ugljičnog dioksida) uvijek je bio teži od kemijski (dobije se razgradnjom njegovih spojeva). Razlika je, začudo, bila konstantna i iznosila je oko 0,1%. Rayleigh, koji nije mogao objasniti ovaj fenomen, obratio se drugim znanstvenicima.

Pomoć koju nudi kemičar William Ramsay. Oba su znanstvenika zaključila da je jedino objašnjenje prisutnost primjese težeg plina u dušiku dobivenom iz zraka. Kad su naišli na opis Cavendishovog eksperimenta, osjetili su da su na pravom putu. Ponovili su eksperiment, ovaj put koristeći modernu opremu, a ubrzo su u posjedu imali uzorak nepoznatog plina. Spektroskopska analiza pokazala je da postoji odvojeno od poznatih tvari, a druga istraživanja su pokazala da postoji kao zasebni atomi. Do sada takvi plinovi nisu bili poznati (imamo O₂, N₂H₂), pa je to značilo i otvaranje novog elementa. Rayleigh i Ramsay su ga pokušali natjerati argon (grč. = lijen) reagirati s drugim tvarima, ali bezuspješno. Kako bi odredili temperaturu njegove kondenzacije, obratili su se jedinoj osobi na svijetu u to vrijeme koja je imala odgovarajući aparat. Bilo je Karol Olszewski, profesor kemije na Sveučilištu Jagiellonian. Olshevsky je ukapljen i skrutio argon, a također je odredio njegove druge fizičke parametre.

Izvješće Rayleigha i Ramsaya u kolovozu 1894. izazvalo je veliki odjek. Znanstvenici nisu mogli vjerovati da su generacije istraživača zanemarile komponentu zraka od 1% koja je na Zemlji prisutna u količini puno većoj od, primjerice, srebra. Drugi testovi su potvrdili postojanje argona. Otkriće se s pravom smatralo velikim postignućem i trijumfom pažljivog eksperimenta (rečeno je da je novi element skriven na trećem decimalu). Međutim, nitko nije očekivao da će biti...

… Cijela obitelj plinova.

Skupina helija (atomski broj na vrhu, atomska masa na dnu).

Čak i prije nego što je atmosfera bila temeljito analizirana, godinu dana kasnije, Ramsay se zainteresirao za članak u geološkom časopisu koji je izvještavao o oslobađanju plina iz uranovih ruda kada je izložen kiselini. Ramsay je pokušao ponovno, ispitao dobiveni plin spektroskopom i vidio nepoznate spektralne linije. Konzultacije sa William Crookes, specijalista za spektroskopiju, doveo je do zaključka da se na Zemlji već dugo traži laser visoke energije. Sada znamo da je to jedan od proizvoda raspada urana i torija, sadržanih u rudama prirodnih radioaktivnih elemenata. Ramsay je ponovno zamolio Olszewskog da ukapi novi plin. Međutim, ovaj put oprema nije bila sposobna postići dovoljno niske temperature, a tekući helij je dobiven tek 1908. godine.

Helij se također pokazao kao jednoatomski plin i neaktivan, poput argona. Svojstva oba elementa nisu se uklapala ni u jednu obitelj periodnog sustava i odlučeno je stvoriti zasebnu grupu za njih. [helowce_uklad] Ramsay je došao do zaključka da u tome ima praznina i zajedno sa svojim kolegom Morrisem Traversem započela daljnja istraživanja. Destilacijom tekućeg zraka kemičari su 1898. otkrili još tri plina: neon (gr. = novo), kripton (gr. = skryty)i ksenon (grčki = strani). Svi su oni, zajedno s helijem, prisutni u zraku u minimalnim količinama, znatno manjim od argona. Kemijska pasivnost novih elemenata potaknula je istraživače da im daju zajedničko ime. plemeniti plinovi. 

Nakon neuspješnih pokušaja odvajanja od zraka, otkriven je još jedan helij kao produkt radioaktivnih transformacija. Godine 1900 Frederick Dorn Oraz Andre-Louis Debirn primijetili su oslobađanje plina (emanacije, kako su tada rekli) iz radija, koji su zvali radon. Ubrzo je uočeno da emanacije također emitiraju torij i aktinij (toron i aktinon). Ramsay i Frederick Soddy dokazali da su jedan element i da su sljedeći plemeniti plin koji su nazvali staro ime za radon (latinski = svijetliti jer su uzorci plina svijetlili u mraku). 1923. niton je konačno postao radon, nazvan po najdugovječnijem izotopu.

Posljednja od helijevih instalacija koje upotpunjuju pravi periodni sustav dobivena je 2006. u ruskom nuklearnom laboratoriju u Dubni. Ime, odobreno tek deset godina kasnije, Oganesson, u čast ruskog nuklearnog fizičara Jurij Oganesjan. Jedino što se zna o novom elementu je da je najteži do sada poznati i da je dobiveno tek nekoliko jezgri koje su živjele manje od jedne milisekunde.

Kemijske mizalijanse

Vjerovanje u kemijsku pasivnost helija srušilo se 1962. kada Neil Bartlett dobio je spoj formule Xe [PtF₆]. Kemija spojeva ksenona danas je prilično opsežna: poznati su fluoridi, oksidi, pa čak i kisele soli ovog elementa. Osim toga, oni su trajni spojevi u normalnim uvjetima. Kripton je lakši od ksenona, tvori nekoliko fluorida, kao i teži radon (radioaktivnost potonjeg znatno otežava istraživanje). S druge strane, tri najlakša – helij, neon i argon – nemaju trajne spojeve.

Kemijski spojevi plemenitih plinova s ​​manje plemenitim partnerima mogu se usporediti sa starim mizalijansima. Danas taj koncept više ne vrijedi i ne treba se čuditi što...

Helikopteri, s lijeva na desno: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) i Morris Travers (1872–1961); portret iz zbirke University College London.

... rade aristokrati.

Helij se dobiva odvajanjem ukapljenog zraka u postrojenjima dušika i kisika. S druge strane, izvor helija je uglavnom prirodni plin, u kojem ga čini do nekoliko posto volumena (u Europi najveći pogon za proizvodnju helija radi u Odolanuv, u Velikopoljskom vojvodstvu). Njihovo prvo zanimanje bilo je sjaj u svjetlećim cijevima. Danas je neonska reklama još uvijek ugodna oku, ali helijski materijali su i osnova nekih vrsta lasera, poput argonskog lasera kojeg ćemo sresti kod zubara ili kozmetičara.

Umjetnički prikaz Zore sonde Xenon Ion u blizini asteroida Ceres.

Kemijska pasivnost helijskih instalacija koristi se za stvaranje atmosfere koja štiti od oksidacije, na primjer, kod zavarivanja metala ili hermetičkog pakiranja hrane. Žarulje punjene helijem rade na višoj temperaturi (tj. svjetle jače) i učinkovitije koriste električnu energiju. Obično se koristi argon pomiješan s dušikom, ali kripton i ksenon daju još bolje rezultate. Najnovija upotreba ksenona je kao pogonski materijal u pogonu ionskih raketa, koji je učinkovitiji od pogona kemijskim pogonskim gorivom. Najlakši helij punjen je vremenskim balonima i balonima za djecu. U mješavini s kisikom, helij koriste ronioci za rad na velikim dubinama, što pomaže u izbjegavanju dekompresijske bolesti. Najvažnija primjena helija je postizanje niskih temperatura potrebnih za rad supravodiča.

Mješavina kisika i helija osigurava sigurno ronjenje.