Elemi arisztokrácia

A periódusos rendszer minden sora a végén végződik. Valamivel több mint száz évvel ezelőtt még csak nem is feltételezték a létezésükről. Aztán lenyűgözték a világot kémiai tulajdonságaikkal, vagy inkább hiányukkal. Később is kiderült, hogy ezek a természeti törvények logikus következményei. nemesgázok.

Idővel „akcióba léptek”, és a múlt század második felében kezdték kevésbé nemes elemekkel társítani őket. Kezdjük így az elemi felsőtársadalom történetét:

Régen…

… Volt egy úr.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) egy régi vázlaton.

Henry Cavendish a legmagasabb brit arisztokráciához tartozott, de érdekelte a természet titkainak megismerése. 1766-ban felfedezte a hidrogént, majd tizenkilenc évvel később olyan kísérletet végzett, amelyben újabb elemet talált. Azt szerette volna kideríteni, hogy a levegőben a már ismert oxigénen és nitrogénen kívül van-e más komponens is. Megtöltött egy hajlított üvegcsövet levegővel, a végeit higanyedényekbe merítette, és elektromos kisüléseket bocsátott át közöttük. A szikrák hatására a nitrogén oxigénnel egyesült, és a keletkező savas vegyületeket a lúgoldat felszívta. Oxigén hiányában Cavendish betáplálta a csőbe, és addig folytatta a kísérletet, amíg az összes nitrogént eltávolította. A kísérlet több hétig tartott, ezalatt a csőben lévő gáz mennyisége folyamatosan csökkent. Amint a nitrogén elfogyott, Cavendish eltávolította az oxigént, és megállapította, hogy a buborék még mindig létezik, amit becslése szerint ¹/₁₂₀ kezdeti levegőmennyiség. Az Úr nem kérdezett a maradványok természetéről, a hatást tapasztalati tévedésnek tartotta. Ma már tudjuk, hogy nagyon közel volt a nyitáshoz argon, de több mint egy évszázadba telt a kísérlet befejezése.

szoláris rejtély

A napfogyatkozások mindig is felkeltették a hétköznapi emberek és a tudósok figyelmét. 18. augusztus 1868-án a jelenséget megfigyelő csillagászok először egy (kevesebb, mint tíz éve tervezett) spektroszkóppal tanulmányozták a napkiemelkedéseket, amelyek egy sötét koronggal jól láthatók. Francia Pierre Janssen ezzel bebizonyította, hogy a napkorona főként hidrogénből és a föld egyéb elemeiből áll. Másnap azonban, miközben ismét megfigyelte a Napot, észrevett egy korábban leírt színképvonalat a nátrium jellegzetes sárga vonala közelében. Janssen egyetlen akkoriban ismert elemnek sem tudta tulajdonítani. Ugyanezt a megfigyelést tette egy angol csillagász Norman Locker. A tudósok különféle hipotéziseket állítottak fel csillagunk titokzatos alkotóelemével kapcsolatban. Lockyer nevezte el nagy energiájú lézer, a görög napisten - Helios - nevében. A legtöbb tudós azonban úgy vélte, hogy az általuk látott sárga vonal a hidrogénspektrum része a csillag rendkívül magas hőmérsékletén. 1881-ben olasz fizikus és meteorológus Luigi Palmieri spektroszkóppal tanulmányozta a Vezúv vulkáni gázait. Spektrumukban egy sárga sávot talált, amelyet a héliumnak tulajdonítottak. Palmieri azonban homályosan leírta kísérleteinek eredményeit, és más tudósok nem erősítették meg őket. Ma már tudjuk, hogy a hélium vulkáni gázokban található, és valóban Olaszország lehetett az első, aki megfigyelte a földi hélium spektrumát.

Illusztráció 1901-ből, amely a Cavendish-kísérlet berendezését mutatja

Nyitás a harmadik tizedes jegyben

A XNUMX. század utolsó évtizedének elején az angol fizikus Lord Rayleigh (John William Strutt) úgy döntött, hogy pontosan meghatározza a különböző gázok sűrűségét, ami lehetővé tette elemeik atomtömegének pontos meghatározását is. Rayleigh szorgalmas kísérletező volt, ezért sokféle forrásból szerzett gázokat, hogy kimutathassa az eredményeket meghamisító szennyeződéseket. Sikerült százszázalékosra csökkentenie a meghatározás hibáját, ami akkor még nagyon kicsi volt. A vizsgált gázok a mérési hibán belül a meghatározott sűrűségnek való megfelelést mutatták. Ez nem lepett meg senkit, mivel a kémiai vegyületek összetétele nem függ származásuktól. A kivétel a nitrogén volt – csak ennek eltérő sűrűsége volt az előállítás módjától függően. Nitrogén légköri (levegőből nyert oxigén, vízgőz és szén-dioxid elválasztása után) mindig is nehezebb volt, mint vegyi (vegyületeinek lebontásával nyerik). A különbség, furcsa módon, állandó volt, és körülbelül 0,1% volt. Rayleigh, aki nem tudta megmagyarázni ezt a jelenséget, más tudósokhoz fordult.

Egy vegyész segítsége William Ramsay. Mindkét tudós arra a következtetésre jutott, hogy az egyetlen magyarázat egy nehezebb gáz keverékének jelenléte a levegőből nyert nitrogénben. Amikor találkoztak a Cavendish-kísérlet leírásával, úgy érezték, jó úton járnak. Megismételték a kísérletet, ezúttal modern berendezéssel, és hamarosan birtokukban volt egy ismeretlen gáz mintája. A spektroszkópiai elemzés kimutatta, hogy az ismert anyagoktól elkülönülten létezik, más vizsgálatok pedig azt, hogy különálló atomokként létezik. Eddig nem ismertek ilyen gázokat (van O₂, N₂, H₂), tehát ez egy új elem megnyitását is jelentette. Rayleigh és Ramsay megpróbálta rávenni argon (görög = lusta) más anyagokkal reagálni, de hiába. A kondenzáció hőmérsékletének meghatározásához a világon akkoriban az egyetlen emberhez fordultak, aki rendelkezett a megfelelő készülékkel. Ez volt Karol Olszewski, a Jagelló Egyetem kémiaprofesszora. Olshevsky cseppfolyósította és megszilárdította az argont, és meghatározta egyéb fizikai paramétereit is.

Rayleigh és Ramsay 1894 augusztusi jelentése nagy visszhangot váltott ki. A tudósok nem tudták elhinni, hogy kutatók generációi figyelmen kívül hagyták a levegő 1%-os komponensét, amely sokkal nagyobb mennyiségben van jelen a Földön, mint például az ezüst. Mások tesztjei megerősítették az argon létezését. A felfedezést joggal tekintették nagy eredménynek és a gondos kísérlet diadalának (állítólag a harmadik tizedesjegyben volt elrejtve az új elem). Arra azonban senki sem számított, hogy lesz...

… Gázok egész családja.

Héliumcsoport (atomszám felül, atomtömeg alul).

Még az atmoszféra alapos elemzése előtt, egy évvel később, Ramsay érdeklődni kezdett egy geológiai folyóiratcikk iránt, amely arról számolt be, hogy savnak kitéve gáz szabadul fel uránércekből. Ramsay újra próbálkozott, spektroszkóppal megvizsgálta a keletkező gázt, és ismeretlen spektrumvonalakat látott. Konzultáció a William Crookes, a spektroszkópia specialistája arra a következtetésre vezetett, hogy régóta keresik a Földön nagy energiájú lézer. Ma már tudjuk, hogy ez az urán és a tórium egyik bomlásterméke, amely a természetes radioaktív elemek érceiben található. Ramsay ismét megkérte Olszewskit, hogy cseppfolyósítsa az új gázt. A berendezés azonban ezúttal nem volt képes kellően alacsony hőmérséklet elérésére, és folyékony héliumot csak 1908-ban sikerült elérni.

Kiderült, hogy a hélium is egyatomos gáz, és inaktív, mint az argon. Mindkét elem tulajdonságai nem illeszkedtek a periódusos rendszer egyik családjába sem, ezért úgy döntöttek, hogy külön csoportot hoznak létre számukra. [helowce_uklad] Ramsay arra a következtetésre jutott, hogy vannak hiányosságok, és kollégájával együtt Morrisem Traversem további kutatásba kezdett. A folyékony levegő desztillálásával a vegyészek további három gázt fedeztek fel 1898-ban: neon (gr. = új), kripton (gr. = skryty) i xenon (görög = idegen). Mindegyik a héliummal együtt minimális mennyiségben van jelen a levegőben, sokkal kevesebb, mint az argon. Az új elemek kémiai passzivitása arra késztette a kutatókat, hogy közös nevet adjanak nekik. nemesgázok. 

A levegőtől való elválasztás sikertelen kísérletei után egy újabb héliumot fedeztek fel radioaktív átalakulások termékeként. 1900-ban Frederic Dorn Oraz Andre-Louis Debirn észrevették a gáz felszabadulását (ahogy akkor mondták) a rádiumból, amit úgy hívtak radon. Hamar észrevették, hogy az emanációk tóriumot és aktínumot is bocsátanak ki (thoron és aktinon). Ramsay és Frederick Soddy bebizonyították, hogy ezek az egyik elem, és a következő nemesgáz, amelyet elnevezett niton (Latin = világítani, mert a gázminták világítottak a sötétben). 1923-ban a nitonból végül radon lett, amelyet a leghosszabb életű izotópról kaptak.

A valódi periódusos rendszert kiegészítõ héliumberendezések közül az utolsót 2006-ban szerezték be a dubnai orosz nukleáris laboratóriumban. A név, amelyet csak tíz évvel később hagytak jóvá, Oganesson, az orosz atomfizikus tiszteletére Jurij Oganesjan. Az új elemről csak annyit tudni, hogy ez az eddig ismert legnehezebb, és csak néhány olyan magot sikerült előállítani, amely egy milliszekundumnál rövidebb ideig élt.

Kémiai tévedések

A hélium kémiai passzivitásába vetett hit 1962-ben összeomlott, amikor Neil Bartlett így kapott egy Xe általános képletű vegyületet [PtF₆]. A xenonvegyületek kémiája manapság meglehetősen kiterjedt: ismertek ennek az elemnek fluoridjai, oxidjai, sőt savas sói is. Ezenkívül normál körülmények között állandó vegyületek. A kripton könnyebb, mint a xenon, több fluoridot is képez, akárcsak a nehezebb radon (utóbbi radioaktivitása jelentősen megnehezíti a kutatást). Másrészt a három legkönnyebb - hélium, neon és argon - nem tartalmaz állandó vegyületeket.

A nemesgázok kevésbé nemes partnerekkel alkotott kémiai vegyületei a régi tévszövetségekhez hasonlíthatók. Ma ez a koncepció már nem érvényes, és nem kell csodálkozni azon, hogy ...

Helikopterek, balról jobbra: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) és Morris Travers (1872–1961); portré a University College London gyűjteményéből.

… az arisztokraták dolgoznak.

A héliumot a cseppfolyósított levegő elválasztásával nyerik nitrogén- és oxigénüzemekben. Másrészt a hélium forrása elsősorban a földgáz, amiben a térfogat néhány százalékáig terjed (Európában a legnagyobb héliumgyártó üzem a Legyőzve, a Nagy-Lengyelországi vajdaságban). Első foglalkozásuk a fénycsövekben való ragyogás volt. A neonreklám manapság még tetszetős, de a hélium anyagok is bizonyos lézerfajták alapját képezik, mint például az argonlézer, amellyel fogorvosnál vagy kozmetikusnál fogunk találkozni.

A művész alkotása a Xenon Ion Probe Dawnról a Ceres aszteroida közelében.

A hélium-berendezések kémiai passzivitását olyan légkör létrehozására használják, amely véd az oxidációtól, például fémek vagy hermetikus élelmiszer-csomagolások hegesztésekor. A héliummal töltött lámpák magasabb hőmérsékleten működnek (azaz erősebben világítanak), és hatékonyabban használják fel az áramot. Általában az argont nitrogénnel keverve használják, de a kripton és a xenon még jobb eredményeket ad. A xenon legújabb felhasználása az ionrakéta-meghajtás hajtóanyaga, amely hatékonyabb, mint a kémiai hajtóanyag. A legkönnyebb hélium léggömbökkel és gyermekeknek szánt léggömbökkel van tele. Oxigénnel keverve a héliumot a búvárok nagy mélységben történő munkához használják, ami segít elkerülni a dekompressziós betegséget. A hélium legfontosabb alkalmazása a szupravezetők működéséhez szükséges alacsony hőmérséklet elérése.

Oxigén-hélium keverék biztosítja a biztonságos merülést.