Bangsawan berunsur

Setiap baris jadual berkala berakhir pada penghujungnya. Lebih sedikit daripada seratus tahun yang lalu, kewujudan mereka tidak sepatutnya. Kemudian mereka memukau dunia dengan sifat kimia mereka, atau lebih tepatnya ketiadaan mereka. Malah kemudiannya mereka ternyata menjadi akibat logik undang-undang alam. gas mulia.

Lama kelamaan, mereka "bertindak", dan pada separuh kedua abad yang lalu mereka mula dikaitkan dengan unsur-unsur yang kurang mulia. Mari kita mulakan kisah masyarakat menengah rendah seperti ini:

Suatu masa dahulu…

… Ada seorang tuan.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) dalam lakaran lama.

Henry Cavendish dia tergolong dalam golongan bangsawan British yang tertinggi, tetapi dia berminat untuk mempelajari rahsia alam semula jadi. Pada tahun 1766, dia menemui hidrogen, dan sembilan belas tahun kemudian dia menjalankan eksperimen di mana dia dapat mencari unsur lain. Dia ingin mengetahui sama ada udara mengandungi komponen lain selain oksigen dan nitrogen yang telah diketahui. Dia mengisi tiub kaca yang bengkok dengan udara, merendam hujungnya dalam bekas merkuri dan mengalirkan nyahcas elektrik di antaranya. Percikan api menyebabkan nitrogen bergabung dengan oksigen, dan sebatian berasid yang terhasil diserap oleh larutan alkali. Dengan ketiadaan oksigen, Cavendish memasukkannya ke dalam tiub dan meneruskan eksperimen sehingga semua nitrogen dikeluarkan. Percubaan berlangsung beberapa minggu, di mana isipadu gas dalam paip sentiasa berkurangan. Setelah nitrogen habis, Cavendish mengeluarkan oksigen dan mendapati gelembung itu masih wujud, yang dianggarkan ¹/₁₂₀ isipadu udara awal. Tuhan tidak bertanya tentang sifat sisa, menganggap kesannya sebagai kesilapan pengalaman. Hari ini kita tahu bahawa dia sangat hampir dengan pembukaan argon, tetapi mengambil masa lebih daripada satu abad untuk menyelesaikan percubaan.

misteri suria

Gerhana matahari sentiasa menarik perhatian orang biasa dan saintis. Pada 18 Ogos 1868, ahli astronomi yang memerhati fenomena ini mula-mula menggunakan spektroskop (reka bentuk kurang daripada sepuluh tahun yang lalu) untuk mengkaji penonjolan suria, jelas kelihatan dengan cakera gelap. Perancis Pierre Janssen dengan cara ini dia membuktikan bahawa korona suria terdiri terutamanya daripada hidrogen dan unsur-unsur bumi yang lain. Tetapi keesokan harinya, semasa memerhati Matahari sekali lagi, dia melihat garis spektrum yang tidak diterangkan sebelum ini terletak berhampiran garis kuning ciri natrium. Janssen tidak dapat mengaitkannya dengan mana-mana elemen yang diketahui pada masa itu. Pemerhatian yang sama dibuat oleh ahli astronomi Inggeris Norman Locker. Para saintis telah mengemukakan pelbagai hipotesis tentang komponen misteri bintang kita. Lockyer menamakan dia laser tenaga tinggi, bagi pihak tuhan matahari Yunani - Helios. Walau bagaimanapun, kebanyakan saintis percaya bahawa garis kuning yang mereka lihat adalah sebahagian daripada spektrum hidrogen pada suhu yang sangat tinggi bintang itu. Pada tahun 1881, seorang ahli fizik dan meteorologi Itali Luigi Palmieri mengkaji gas gunung berapi Vesuvius menggunakan spektroskop. Dalam spektrum mereka, dia menemui jalur kuning yang dikaitkan dengan helium. Walau bagaimanapun, Palmieri menerangkan hasil eksperimennya dengan samar-samar, dan saintis lain tidak mengesahkannya. Kita kini tahu bahawa helium ditemui dalam gas gunung berapi, dan Itali mungkin menjadi orang pertama yang memerhati spektrum helium darat.

Ilustrasi dari 1901 menunjukkan radas untuk eksperimen Cavendish

Pembukaan di tempat perpuluhan ketiga

Pada awal dekad terakhir abad ke-XNUMX, ahli fizik Inggeris Tuan Rayleigh (John William Strutt) memutuskan untuk menentukan dengan tepat ketumpatan pelbagai gas, yang juga memungkinkan untuk menentukan jisim atom unsur-unsurnya dengan tepat. Rayleigh adalah seorang penguji yang tekun, jadi dia memperoleh gas daripada pelbagai sumber untuk mengesan kekotoran yang akan memalsukan keputusan. Dia berjaya mengurangkan kesilapan penentuan kepada perseratus peratus, yang pada masa itu sangat kecil. Gas yang dianalisis menunjukkan pematuhan dengan ketumpatan yang ditentukan dalam ralat pengukuran. Ini tidak mengejutkan sesiapa pun, kerana komposisi sebatian kimia tidak bergantung pada asalnya. Pengecualian adalah nitrogen - hanya ia mempunyai ketumpatan yang berbeza bergantung pada kaedah pengeluaran. Nitrogen atmosfera (diperolehi daripada udara selepas pengasingan oksigen, wap air dan karbon dioksida) sentiasa lebih berat daripada kimia (diperolehi melalui penguraian sebatiannya). Perbezaannya, anehnya, adalah malar dan berjumlah kira-kira 0,1%. Rayleigh, tidak dapat menjelaskan fenomena ini, beralih kepada saintis lain.

Bantuan yang ditawarkan oleh ahli kimia William Ramsay. Kedua-dua saintis membuat kesimpulan bahawa satu-satunya penjelasan adalah kehadiran campuran gas yang lebih berat dalam nitrogen yang diperoleh daripada udara. Apabila mereka menemui penerangan tentang eksperimen Cavendish, mereka merasakan mereka berada di landasan yang betul. Mereka mengulangi percubaan, kali ini menggunakan peralatan moden, dan tidak lama kemudian mereka mempunyai sampel gas yang tidak diketahui dalam simpanan mereka. Analisis spektroskopi telah menunjukkan bahawa ia wujud secara berasingan daripada bahan yang diketahui, dan kajian lain telah menunjukkan bahawa ia wujud sebagai atom yang berasingan. Setakat ini, gas sedemikian belum diketahui (kami mempunyai O₂, N₂, H₂), jadi itu juga bermakna membuka elemen baharu. Rayleigh dan Ramsay cuba membuatnya argon (Greek = malas) untuk bertindak balas dengan bahan lain, tetapi tidak berjaya. Untuk menentukan suhu pemeluwapannya, mereka beralih kepada satu-satunya orang di dunia pada masa itu yang mempunyai radas yang sesuai. Ia adalah Karol Olszewski, profesor kimia di Universiti Jagiellonian. Olshevsky mencairkan dan menguatkan argon, dan juga menentukan parameter fizikalnya yang lain.

Laporan Rayleigh dan Ramsay pada Ogos 1894 menyebabkan resonans yang hebat. Para saintis tidak percaya bahawa generasi penyelidik telah mengabaikan komponen 1% udara, yang terdapat di Bumi dalam jumlah yang jauh lebih besar daripada, sebagai contoh, perak. Ujian oleh orang lain telah mengesahkan kewujudan argon. Penemuan itu dianggap sebagai pencapaian yang hebat dan kejayaan percubaan yang teliti (dikatakan bahawa elemen baharu itu disembunyikan di tempat perpuluhan ketiga). Namun, tiada siapa menjangkakan akan ada...

… Seluruh keluarga gas.

Kumpulan helium (nombor atom di bahagian atas, jisim atom di bahagian bawah).

Malah sebelum atmosfera dianalisis secara menyeluruh, setahun kemudian, Ramsay mula berminat dengan artikel jurnal geologi yang melaporkan pelepasan gas daripada bijih uranium apabila terdedah kepada asid. Ramsay mencuba lagi, memeriksa gas yang terhasil dengan spektroskop dan melihat garis spektrum yang tidak dikenali. Perundingan dengan William Crooks, pakar dalam spektroskopi, membawa kepada kesimpulan bahawa ia telah lama dicari di Bumi laser tenaga tinggi. Sekarang kita tahu bahawa ini adalah salah satu produk pereputan uranium dan torium, yang terkandung dalam bijih unsur radioaktif semula jadi. Ramsay sekali lagi meminta Olszewski mencairkan gas baharu itu. Walau bagaimanapun, kali ini peralatan itu tidak mampu mencapai suhu yang cukup rendah, dan helium cecair tidak diperoleh sehingga tahun 1908.

Helium juga ternyata menjadi gas monatomik dan tidak aktif, seperti argon. Sifat kedua-dua elemen tidak sesuai dengan mana-mana keluarga jadual berkala dan telah diputuskan untuk mencipta kumpulan berasingan untuk mereka. [helowce_uklad] Ramsay membuat kesimpulan bahawa terdapat jurang di dalamnya, dan bersama-sama dengan rakan sekerjanya Morrisem Traversem memulakan penyelidikan lanjut. Dengan menyuling udara cecair, ahli kimia menemui tiga lagi gas pada tahun 1898: neon (gr. = baru), kripton (gr. = skryty)i xenon (Yunani = asing). Kesemuanya, bersama-sama dengan helium, terdapat di udara dalam kuantiti yang minimum, lebih kurang daripada argon. Kepasifan kimia unsur-unsur baru mendorong penyelidik untuk memberi mereka nama biasa. gas mulia. 

Selepas percubaan yang tidak berjaya untuk memisahkan dari udara, helium lain ditemui sebagai hasil transformasi radioaktif. Pada tahun 1900 Frederick Dorn Oraz Andre-Louis Debirn mereka melihat pelepasan gas (emanasi, seperti yang mereka katakan kemudian) dari radium, yang mereka panggil radon. Ia tidak lama kemudian menyedari bahawa pancaran juga mengeluarkan torium dan aktinium (thoron dan actinon). Ramsay dan Frederick Soddy membuktikan bahawa mereka adalah satu unsur dan merupakan gas mulia seterusnya yang mereka namakan niton (Latin = bercahaya kerana sampel gas bercahaya dalam gelap). Pada tahun 1923, nithon akhirnya menjadi radon, dinamakan sempena isotop yang paling lama hidup.

Pemasangan helium terakhir yang melengkapkan jadual berkala sebenar diperoleh pada tahun 2006 di makmal nuklear Rusia di Dubna. Nama itu, diluluskan hanya sepuluh tahun kemudian, Oganesson, sebagai penghormatan kepada ahli fizik nuklear Rusia Yuri Oganesyan. Satu-satunya perkara yang diketahui tentang elemen baharu ialah ia adalah yang paling berat diketahui setakat ini dan hanya beberapa nukleus telah diperoleh yang hidup kurang daripada satu milisaat.

Penyelewengan kimia

Kepercayaan terhadap kepasifan kimia helium runtuh pada tahun 1962 apabila Neil Bartlett dia memperoleh sebatian formula Xe [PtF₆]. Kimia sebatian xenon hari ini agak luas: fluorida, oksida dan juga garam asid unsur ini diketahui. Di samping itu, ia adalah sebatian kekal di bawah keadaan biasa. Krypton lebih ringan daripada xenon, membentuk beberapa fluorida, begitu juga radon yang lebih berat (keradioaktifan yang terakhir menjadikan penyelidikan lebih sukar). Sebaliknya, tiga yang paling ringan - helium, neon dan argon - tidak mempunyai sebatian kekal.

Sebatian kimia gas mulia dengan rakan kongsi yang kurang mulia boleh dibandingkan dengan penyelewengan lama. Hari ini, konsep ini tidak lagi sah, dan seseorang tidak perlu terkejut bahawa ...

Helikopter, dari kiri ke kanan: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) dan Morris Travers (1872–1961); potret dari koleksi University College London.

… golongan bangsawan bekerja.

Helium diperoleh dengan mengasingkan udara cecair dalam tumbuhan nitrogen dan oksigen. Sebaliknya, sumber helium terutamanya gas asli, di mana ia adalah sehingga beberapa peratus daripada volum (di Eropah, kilang pengeluaran helium terbesar beroperasi di diatasi, di Wilayah Greater Poland). Pekerjaan pertama mereka adalah bersinar dalam tiub bercahaya. Pada masa kini, pengiklanan neon masih menyenangkan mata, tetapi bahan helium juga menjadi asas kepada beberapa jenis laser, seperti laser argon yang akan kita temui di doktor gigi atau pakar kecantikan.

Gambaran artis Xenon Ion Probe Dawn berhampiran asteroid Ceres.

Kepasifan kimia pemasangan helium digunakan untuk mewujudkan suasana yang melindungi daripada pengoksidaan, contohnya, apabila mengimpal logam atau pembungkusan makanan hermetik. Lampu yang diisi helium beroperasi pada suhu yang lebih tinggi (iaitu, ia bersinar lebih terang) dan menggunakan elektrik dengan lebih cekap. Biasanya argon digunakan bercampur dengan nitrogen, tetapi kripton dan xenon memberikan hasil yang lebih baik. Penggunaan terbaru xenon adalah sebagai bahan pendorong dalam pendorong roket ion, yang lebih cekap daripada pendorong bahan kimia. Helium paling ringan diisi dengan belon cuaca dan belon untuk kanak-kanak. Dalam campuran dengan oksigen, helium digunakan oleh penyelam untuk bekerja pada kedalaman yang tinggi, yang membantu mengelakkan penyakit penyahmampatan. Aplikasi helium yang paling penting adalah untuk mencapai suhu rendah yang diperlukan untuk superkonduktor berfungsi.

Campuran oksigen-helium memastikan menyelam selamat.