Elementarna aristokratija

Svaki red periodnog sistema završava se na kraju. Prije nešto više od sto godina njihovo postojanje nije se ni pretpostavljalo. Tada su zadivili svijet svojim hemijskim svojstvima, odnosno odsutnošću. I kasnije se pokazalo da su one logična posljedica zakona prirode. plemenitih gasova.

Vremenom su "pošli u akciju", a u drugoj polovini prošlog veka počeli su da se povezuju sa manje plemenitim elementima. Započnimo priču o elementarnom visokom društvu ovako:

Prije mnogo vremena…

... Postojao je lord.

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

Henry Cavendish pripadao je najvišoj britanskoj aristokratiji, ali je bio zainteresovan za upoznavanje tajni prirode. Godine 1766. otkrio je vodonik, a devetnaest godina kasnije izveo je eksperiment u kojem je uspio pronaći još jedan element. Hteo je da sazna da li vazduh sadrži i druge komponente osim već poznatih kiseonika i azota. Napunio je savijenu staklenu cijev zrakom, uronio njene krajeve u posude sa živom i propuštao električna pražnjenja između njih. Varnice su dovele do spajanja azota sa kiseonikom, a nastala kisela jedinjenja su apsorbovana alkalnom otopinom. U nedostatku kiseonika, Cavendish ga je ubacio u epruvetu i nastavio eksperiment sve dok se sav dušik ne ukloni. Eksperiment je trajao nekoliko sedmica, tokom kojih se količina plina u cijevi konstantno smanjivala. Kada je dušik iscrpljen, Cavendish je uklonio kisik i otkrio da mjehur još uvijek postoji, za koji je procijenio da je ¹/₁₂₀ početna zapremina vazduha. Gospod nije pitao za prirodu ostataka, smatrajući da je efekat greška iskustva. Danas znamo da je bio vrlo blizu otvaranja argon, ali je bilo potrebno više od jednog stoljeća da se eksperiment završi.

solarna misterija

Pomračenja Sunca oduvijek su privlačila pažnju i običnih ljudi i naučnika. Dana 18. avgusta 1868. godine, astronomi koji su posmatrali ovaj fenomen su prvi put koristili spektroskop (dizajniran prije manje od deset godina) za proučavanje sunčevih prominencija, jasno vidljivih zatamnjenim diskom. francuski Pierre Janssen na taj način je dokazao da se solarna korona sastoji uglavnom od vodonika i drugih elemenata zemlje. Ali sledećeg dana, dok je ponovo posmatrao Sunce, primetio je ranije neopisanu spektralnu liniju koja se nalazi blizu karakteristične žute linije natrijuma. Janssen to nije mogao pripisati nijednom poznatom elementu u to vrijeme. Isto zapažanje napravio je i engleski astronom Norman Locker. Naučnici su iznijeli različite hipoteze o misterioznoj komponenti naše zvijezde. Lockyer ga je nazvao laser visoke energije, u ime grčkog boga sunca - Heliosa. Međutim, većina naučnika je vjerovala da je žuta linija koju su vidjeli dio vodonikovog spektra na ekstremno visokim temperaturama zvijezde. Godine 1881, italijanski fizičar i meteorolog Luigi Palmieri proučavao vulkanske gasove Vezuva pomoću spektroskopa. U njihovom spektru je pronašao žutu traku koja se pripisuje helijumu. Međutim, Palmieri je neodređeno opisao rezultate svojih eksperimenata, a drugi naučnici ih nisu potvrdili. Sada znamo da se helijum nalazi u vulkanskim gasovima, a Italija je možda zaista bila prva koja je posmatrala zemaljski spektar helijuma.

Ilustracija iz 1901. koja prikazuje aparat za Cavendish eksperiment

Otvaranje na trećem decimalu

Početkom poslednje decenije XNUMX veka, engleski fizičar Lord Rayleigh (John William Strutt) odlučio je precizno odrediti gustoće različitih plinova, što je također omogućilo precizno određivanje atomskih masa njihovih elemenata. Rayleigh je bio marljiv eksperimentator, pa je dobivao plinove iz raznih izvora kako bi otkrio nečistoće koje bi krivotvorile rezultate. Uspio je svesti grešku u određivanju na stoti dio procenta, koja je u to vrijeme bila vrlo mala. Analizirani gasovi su pokazali usklađenost sa utvrđenom gustinom u okviru greške merenja. To nikoga nije iznenadilo, jer sastav hemijskih jedinjenja ne zavisi od njihovog porekla. Izuzetak je bio dušik - samo što je imao različitu gustinu ovisno o načinu proizvodnje. Nitrogen atmosferski (dobijen iz zraka nakon odvajanja kisika, vodene pare i ugljičnog dioksida) uvijek je bio teži od hemijski (dobije se razgradnjom njegovih jedinjenja). Razlika je, začudo, bila konstantna i iznosila je oko 0,1%. Rayleigh, nesposoban da objasni ovaj fenomen, obratio se drugim naučnicima.

Pomoć koju nudi hemičar William Ramsay. Oba naučnika su zaključila da je jedino objašnjenje prisustvo primesa težeg gasa u azotu dobijenom iz vazduha. Kada su naišli na opis Cavendishovog eksperimenta, osjetili su da su na pravom putu. Ponovili su eksperiment, ovoga puta koristeći modernu opremu, a ubrzo su imali uzorak nepoznatog plina. Spektroskopska analiza je pokazala da postoji odvojeno od poznatih supstanci, a druga istraživanja su pokazala da postoji kao odvojeni atomi. Do sada takvi gasovi nisu bili poznati (imamo O₂N₂, H₂), tako da je to značilo i otvaranje novog elementa. Rayleigh i Ramsay su ga pokušali natjerati argon (grčki = lijen) reagirati s drugim supstancama, ali bezuspješno. Da 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 hemije na Jagelonskom univerzitetu. Olševski je tečni i očvrsnuo argon, a takođe je odredio njegove druge fizičke parametre.

Izvještaj Rayleigha i Ramsaya iz augusta 1894. izazvao je veliki odjek. Naučnici nisu mogli vjerovati da su generacije istraživača zanemarile komponentu zraka od 1% koja je na Zemlji prisutna u količini mnogo većoj od, na primjer, srebra. Drugi testovi su potvrdili postojanje argona. Otkriće se s pravom smatralo velikim dostignućem i trijumfom pažljivog eksperimenta (rečeno je da je novi element sakriven na trećem decimalu). Međutim, niko nije očekivao da će biti...

… Cijela porodica plinova.

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

Čak i prije nego što je atmosfera bila temeljno analizirana, godinu dana kasnije, Ramsay se zainteresirao za članak u geološkom časopisu koji je izvještavao o oslobađanju plina iz ruda uranijuma kada je izložen kiselini. Ramsay je pokušao ponovo, ispitao nastali plin spektroskopom i vidio nepoznate spektralne linije. Konsultacije sa William Crooks, specijalista za spektroskopiju, doveo je do zaključka da je na Zemlji dugo tražena laser visoke energije. Sada znamo da je ovo jedan od proizvoda raspada uranijuma i torija, sadržanih u rudama prirodnih radioaktivnih elemenata. Ramsay je ponovo zatražio od Olszewskog da ukapni novi plin. Međutim, ovaj put oprema nije bila sposobna postići dovoljno niske temperature, a tekući helijum 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 porodicu periodnog sistema i odlučeno je da se za njih napravi posebna grupa. [helowce_uklad] Ramsay je došao do zaključka da u tome ima rupa i zajedno sa svojim kolegom Morris Traverse započela dalja istraživanja. Destilacijom tečnog vazduha, hemičari su 1898. otkrili još tri gasa: neon (gr. = novo), kripton (gr. = skryty) i ksenon (grčki = strani). Svi oni, zajedno sa helijumom, prisutni su u vazduhu u minimalnim količinama, mnogo manje od argona. Hemijska pasivnost novih elemenata navela je istraživače da im daju zajedničko ime. plemenitih gasova. 

Nakon neuspjelih pokušaja da se odvoji od zraka, otkriven je još jedan helij kao proizvod radioaktivnih transformacija. Godine 1900 Frederick Dorn Oraz Andre-Louis Debirn primijetili su oslobađanje plina (emanacija, kako su tada rekli) iz radijuma, koji su zvali radon. Ubrzo je uočeno da emanacije emituju i torijum i aktinijum (toron i aktinon). Ramsay and Frederick Soddy dokazali da su jedan element i da su sljedeći plemeniti plin koji su nazvali niton (latinski = svijetliti jer su uzorci plina svijetlili u mraku). 1923. niton je konačno postao radon, nazvan po najdugovječnijem izotopu.

Posljednja instalacija helijuma koja zatvara pravi periodni sistem dobijena je 2006. godine u ruskoj nuklearnoj laboratoriji u Dubni. Ime, odobreno tek deset godina kasnije, Oganesson, u čast ruskog nuklearnog fizičara Yuri Oganesyan. Jedino što se zna o novom elementu je da je najteži poznati do sada i da je dobiveno samo nekoliko jezgara koje su živjele manje od jedne milisekunde.

Hemijske mizalijanse

Vjerovanje u hemijsku pasivnost helijuma propalo je 1962. godine kada Neil Bartlett dobio je spoj formule Xe [PtF₆]. Hemija spojeva ksenona danas je prilično opsežna: poznati su fluoridi, oksidi, pa čak i kisele soli ovog elementa. Osim toga, oni su trajna jedinjenja u normalnim uslovima. Kripton je lakši od ksenona, formira nekoliko fluorida, kao i teži radon (radioaktivnost potonjeg znatno otežava istraživanje). S druge strane, tri najlakša - helijum, neon i argon - nemaju trajna jedinjenja.

Hemijska jedinjenja plemenitih gasova sa manje plemenitim partnerima mogu se porediti sa starim mizalijansima. Danas ovaj koncept više ne važi 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 kolekcije Univerzitetskog koledža u Londonu.

… aristokrate rade.

Helijum se dobija odvajanjem tečnog vazduha u postrojenjima za azot i kiseonik. S druge strane, izvor helijuma je uglavnom prirodni gas, u kome ga čini do nekoliko posto zapremine (u Evropi radi najveća fabrika za proizvodnju helijuma u Odolanuv, u Velikopoljskom vojvodstvu). Njihovo prvo zanimanje bilo je da sijaju u svetlećim cevima. Danas je neonska reklama i dalje ugodna za oko, ali helijumski materijali su i osnova nekih vrsta lasera, poput argonskog lasera koji ćemo sresti kod zubara ili kozmetičara.

Umjetnički prikaz Zore ksenonske jonske sonde u blizini asteroida Ceres.

Hemijska pasivnost helijumskih instalacija koristi se za stvaranje atmosfere koja štiti od oksidacije, na primjer, prilikom zavarivanja metala ili hermetičke ambalaže za hranu. Lampe punjene helijumom rade na višoj temperaturi (to jest, sijaju jače) i efikasnije 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 ionskom raketnom pogonu, koji je efikasniji od pogona na hemijsko gorivo. Najlakši helijum je punjen meteorološkim balonima i balonima za djecu. U mješavini s kisikom, ronioci koriste helij za rad na velikim dubinama, što pomaže u izbjegavanju dekompresijske bolesti. Najvažnija primjena helijuma je postizanje niskih temperatura potrebnih za funkcioniranje superprovodnika.

Mješavina kisika i helijuma osigurava sigurno ronjenje.