Инертные газы

История благородных газов начиналась вполне традиционно и по началу не предполагала никакого открытия. В восьмидесятых годах девятнадцатого века английский физик Джон Уильям Рэлей решил определить плотности различных газов, причем, с очень большой точностью - погрешность должна была составлять не более сотой доли процента.Поэтому он делал все, что бы его результаты были достоверными: использовал в опытах самые чистые вещества, пользовался самыми точными весами того времени, работал предельно аккуратно.

Сначала Рэлей определил плотность самого легкого из газов - водорода, затем принялся за кислород. Наконец подошла очередь азота. Азот, как известно, составляет примерно четыре пятых (по объему) воздуха, поэтому разумнее всего было бы выделить его именно из этого источника.Тем не менее, педантичный Рэлей получал азот из других, самых разных веществ, например, прокаливал нитрит аммония: NH4NO2 = N2 + 2H2O Применение азота добытого разными способами, делало результаты. Уже заканчивая исследования по плотности газов, Рэлей всё же решил проверить и атмосферный азот. Для того, что бы выделить его в чистом виде он пропускал воздух через ряд ловушек, где последовательно удалялись углекислый газ, кислород, пары воды и даже следы водорода, доля которого составляет всего несколько тысячных! Тем не менее, массы "химического" и "воздушного" азота не совпали, причем разница была постоянной, она составляла примерно одну тысячную грамма.

Другой экспериментатор, может быть, и не обратил бы на такую "ошибку" внимания, но только не Рэлей. Нет! Он решил разобраться с этой загадкой, а потому в апреле 1894 года написал статью о своих любопытных результатах в журнал "Nature". Вскоре на неё откликнулся соотечественник Рэлея химик Уильям Рамзай.

Рамзай предположил, что в воздухе, помимо кислорода, азота и углекислого газа, содержится еще один, ранее не известный, более тяжелый газ. Просматривая старые научные журналы, он также обнаружил описание опыта, поставленного еще в 1785 г. английским ученым-аристократом Генри Кавендишем.

Тогда, пропуская через воздух электрические разряды и удаляя образующийся оксид азота, Кавендиш обнаружил, что примерно одна сотая воздуха всегда оставалась неизменной, она не вступала ни в какие реакции. Рэлей и Рамзай решили повторить этот опыт. Каждый из них пошел своим путем: Рамзай удалял азот с помощью магния, а Рэлей связывал его с кислородом при помощи электричества.В остатке, как и у Кавендиша, всегда осталась небольшая часть воздуха.

Плотность ее оказалась в 15 раз больше плотности водорода, тогда как плотность азота только в 14 раз больше её. Эта плотность возрастала ещё по мере дальнейшего поглощения азота, пока не достигла 18. Этим было доказано, что воздух содержит газ, плотность которого больше плотности азота. Исследователи подвергли его самым разнообразным испытаниям.Неизвестный газ смешивали с хлором, серой, бромом, пытались сжечь в кислороде при высоких температурах Но тщетно: газ оставался неприступным, он был абсолютно инертным. Рамзай также выяснил, что молекула нового вещества состоит лишь из одного атома.

Все эти факты свидетельствовали об открытии нового химического элемента, о чём и было сообщено 12 августа 1894 г. Британской Ассоциации Содействия Науке Многим казалось невероятным, чтобы несколько поколений ученых, выполнивших тысячи анализов воздуха, проглядели его составную часть, да еще такую заметную - почти процент! Новый элемент был назван аргоном (от греч. "аргос" - "ленивый"). Известие об открытии нового элемента, да еще с такими необычными свойствами, вызвало бурю дискуссий в научных кругах: далеко не все химики поверили в это открытие.

Усомнился в нем и Менделеев, ведь появление аргона могло в одночасье разрушить периодическую систему.Аргон имеет атомный вес 39,9, т.е. согласно периодическому закону должен быть помещен между калием (39,1) и кальцием (40,1). Между тем, свободных клеток там уже давно не было, да и не мог аргон быть аналогом щелочноземельного металла магния.

И что самое странное, у аргона вообще не было аналога. Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 П.Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия, первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1871 Дж.Локьер и П.Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов.Локьер и Э.Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. «гелиос», что означает солнце.

В то время не знали, что гелий инертный газ, и предполагали, что это металл. И только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У.Рамзай и почти одновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита.Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса.

В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что a-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия. После этого открытия Рамзай пришёл к выводу, что существует целая группа химических элементов, которая располагается в периодической системе между щелочными металлами и галогенами.Пользуясь периодическим законом и методом Менделеева, было определено количество неизвестных благородных газов и их свойства, в частности их атомные массы.

Это позволило осуществить и целенаправленные поиски благородных газов. Вначале Рамзай и его сотрудники занялись минералами, природными водами, даже метеоритами. Результаты анализов неизменно оказывались отрицательными. Между тем теперь мы это знаем, новый газ в них был. Но методами, существовавшими в конце прошлого века, эти «микроследы» не улавливались.Всего за четыре последующих года было открыто четыре новых элемента, при этом неон, криптон и ксенон были выделены из воздуха.

Воздух , очищенный предварительно от углекислоты и влаги, сжижали, а затем начинали медленно испарять. Сначала «летят» более легкие газы. После испарения основной массы воздуха рассортировывают оставшиеся тяжелые инертные газы. Затем, полученные фракции исследовали.Одним из методов поиска был спектральный анализ: газ помещали в разрядную трубку, подключали ток и по линиям спектра определяли «кто есть кто». Когда в разрядную трубку поместили первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха, то в спектре наряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаружены новые линии, из них особенно яркими были красные и оранжевые.

Они придавали свету в трубке огненную окраску. В момент, когда Рамзай наблюдал спектр только что полученного газа, в лабораторию вошел его двенадцатилетний сын, успевший стать «болельщиком» отцовых работ.Увидев необычное свечение, он воскликнул: «new one!» Так возникло название газа «неон», по-древнегречески значит «новый». После того как были открыты гелий, неон и аргон, завершающие три первых периода таблицы Менделеева, уже не вызывало сомнений, что четвёртый, пятый и шестой периоды тоже должны оканчиваться инертным газом.

Но найти их удалось не сразу. Это и неудивительно: в 1 м3 воздуха 9, 3 л аргона и всего лишь 0, 08 мл ксенона.Но к тому времени стараниями ученых, прежде всего англичанина Траверса, появилась возможность получать значительные количества жидкого воздуха. Стал доступен даже жидкий водород.

Благодаря этому Рамзай совместно с Траверсом смог заняться исследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха, получающейся после отгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и аргона. Остаток содержал сырой (то есть неочищенный) криптон (“скрытый”). Однако после откачки его в сосуде неизменно оставался пузырек газа. Этот газ голубовато светился в электрическом разряде и давал своеобразный спектр с линиями в областях от оранжевой до фиолетовой.Характерные спектральные линии визитная карточка элемента.

У Рамзая и Траверса были все основания считать, что открыт новый инертный газ. Его назвали ксеноном, что в переводе с греческого значит «чужой»: в криптоновой фракции воздуха он действительно выглядел чужаком.В поисках нового элемента и для изучения его свойств Рамзай и Траверс переработали около ста тонн жидкого воздуха; индивидуальность ксенона как нового химического элемента они установили, оперируя всего 0,2 см3 этого газа. Необычайная для того времени тонкость эксперимента! Хотя содержание ксенона в атмосфере крайне мало, именно воздух практически единственный и неисчерпаемый источник ксенона.

Неисчерпаемый потому, что почти весь ксенон возвращается в атмосферу. Заслуга открытия высшего представителя инертных газов принадлежит тому же Рамзаю.При помощи весьма тонких технических приёмов он доказал, что радиоактивное истечение из радия эманация радия представляет собой газ, подчиняющийся всем законам обычных газов, химически инертный и обладающий характерным спектром.

Его молекулярный вес около 220 был Рамзаем измерен по скорости диффузии.Если предположить, что ядро атома эманации радия это остаток ядра радия после выбрасывания из него ядра атома гелия а-частицы, то заряд его должен быть равен 88-2=86, т.е. новый элемент должен действительно быть инертным газом с атомным весом 226-4=222.Таким образом, после блестящих экспериментов 16 марта 1900 г. в Лондоне произошла встреча Менделеева и Рамзая, на которой было официально решено включить в периодическую систему новую группу химических элементов.

И тут нельзя не упомянуть о том, что задолго до того, как столь благополучно закончилось испытание периодического закона, в Шлиссельбургской крепости, этой мрачной темнице, куда русские цари прятали своих врагов и беззаветных борцов с самодержавием, ученый и революционер Н.А. Морозов пришел к мысли о существовании группы инертных газов.Он предсказал даже их атомные веса, но об этом мир узнал, когда Морозов вышел на свободу и опубликовал книгу «Периодическая система строения вещества». Николай Александрович Морозов:.