Elementaire aristocratie

Elke rij van het periodiek systeem eindigt aan het einde. Iets meer dan honderd jaar geleden werd hun bestaan ​​niet eens verondersteld. Vervolgens verbaasden ze de wereld met hun chemische eigenschappen, of beter gezegd hun afwezigheid. Nog later bleken ze een logisch gevolg te zijn van de natuurwetten. edele gassen.

Na verloop van tijd "kwamen ze in actie", en in de tweede helft van de vorige eeuw begonnen ze geassocieerd te worden met minder nobele elementen. Laten we het verhaal van de elementaire high society als volgt beginnen:

Een lange tijd geleden…

… Er was een heer.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) in een oude schets.

Hendrik Cavendish hij behoorde tot de hoogste Britse aristocratie, maar hij was geïnteresseerd in het leren van de geheimen van de natuur. In 1766 ontdekte hij waterstof en negentien jaar later voerde hij een experiment uit waarin hij een ander element kon vinden. Hij wilde weten of de lucht naast de al bekende zuurstof en stikstof nog andere componenten bevat. Hij vulde een gebogen glazen buis met lucht, dompelde de uiteinden onder in kwikvaten en liet er elektrische ontladingen tussen stromen. De vonken zorgden ervoor dat de stikstof zich combineerde met zuurstof, en de resulterende zure verbindingen werden geabsorbeerd door de alkalische oplossing. Bij afwezigheid van zuurstof voerde Cavendish het in de buis en zette het experiment voort totdat alle stikstof was verwijderd. Het experiment duurde enkele weken, waarin het gasvolume in de leiding voortdurend afnam. Toen de stikstof eenmaal op was, verwijderde Cavendish de zuurstof en ontdekte dat de luchtbel nog steeds bestond, wat hij schatte ¹/₁₂₀ initieel luchtvolume. De Heer vroeg niet naar de aard van de residuen, aangezien hij het effect beschouwde als een ervaringsfout. Vandaag weten we dat hij heel dicht bij de opening was argon, maar het duurde meer dan een eeuw om het experiment te voltooien.

zonne mysterie

Zonsverduisteringen hebben altijd de aandacht getrokken van zowel gewone mensen als wetenschappers. Op 18 augustus 1868 gebruikten astronomen die dit fenomeen observeerden de spectroscoop (minder dan tien jaar geleden ontworpen) voor het eerst om zonneprotuberansen te bestuderen, duidelijk zichtbaar met een verduisterde schijf. Frans Pieter Janssen zo bewees hij dat de zonnecorona voornamelijk uit waterstof en andere elementen van de aarde bestaat. Maar de volgende dag, toen hij opnieuw de zon observeerde, zag hij een voorheen onbeschreven spectraallijn in de buurt van de karakteristieke gele lijn van natrium. Janssen kon het aan geen enkel toen bekend element toeschrijven. Dezelfde waarneming werd gedaan door een Engelse astronoom Normandisch kluisje. Wetenschappers hebben verschillende hypothesen naar voren gebracht over de mysterieuze component van onze ster. Lockyer noemde hem hoge energie laser, namens de Griekse god van de zon - Helios. De meeste wetenschappers geloofden echter dat de gele lijn die ze zagen deel uitmaakte van het waterstofspectrum bij de extreem hoge temperaturen van de ster. In 1881, een Italiaanse natuurkundige en meteoroloog Luigi Palmieri bestudeerde de vulkanische gassen van de Vesuvius met behulp van een spectroscoop. In hun spectrum vond hij een gele band toegeschreven aan helium. Palmieri beschreef de resultaten van zijn experimenten echter vaag en andere wetenschappers bevestigden ze niet. We weten nu dat helium wordt aangetroffen in vulkanische gassen, en Italië was misschien wel de eerste die het terrestrische heliumspectrum waarnam.

Illustratie uit 1901 met het apparaat voor het Cavendish-experiment

Opening in de derde decimaal

Aan het begin van het laatste decennium van de XNUMXe eeuw kwam de Engelse natuurkundige Heer Rayleigh (John William Strutt) besloot om de dichtheden van verschillende gassen nauwkeurig te bepalen, wat het ook mogelijk maakte om de atoommassa's van hun elementen nauwkeurig te bepalen. Rayleigh was een ijverige experimentator, dus haalde hij gassen uit een grote verscheidenheid aan bronnen om onzuiverheden te detecteren die de resultaten zouden vervalsen. Hij slaagde erin de bepalingsfout terug te brengen tot honderdsten van een procent, wat in die tijd erg klein was. De geanalyseerde gassen vertoonden overeenstemming met de vastgestelde dichtheid binnen de meetfout. Dit verbaasde niemand, aangezien de samenstelling van chemische verbindingen niet afhankelijk is van hun oorsprong. De uitzondering was stikstof - alleen had het een andere dichtheid, afhankelijk van de productiemethode. Stikstof sfeervol (verkregen uit lucht na scheiding van zuurstof, waterdamp en koolstofdioxide) is altijd zwaarder geweest dan chemisch (verkregen door ontleding van zijn verbindingen). Het verschil was vreemd genoeg constant en bedroeg ongeveer 0,1%. Rayleigh, die dit fenomeen niet kon verklaren, wendde zich tot andere wetenschappers.

Hulp aangeboden door een apotheek Willem Ramsay. Beide wetenschappers concludeerden dat de enige verklaring de aanwezigheid van een mengsel van een zwaarder gas in de stikstof uit de lucht was. Toen ze de beschrijving van het Cavendish-experiment tegenkwamen, voelden ze dat ze op de goede weg waren. Ze herhaalden het experiment, dit keer met moderne apparatuur, en al snel hadden ze een monster van een onbekend gas in hun bezit. Spectroscopische analyse heeft aangetoond dat het los van bekende stoffen bestaat, en andere studies hebben aangetoond dat het bestaat als afzonderlijke atomen. Tot nu toe zijn dergelijke gassen niet bekend (we hebben O₂, N₂, H₂), dus dat betekende ook het openen van een nieuw element. Rayleigh en Ramsay probeerden hem te dwingen argon (Grieks = lui) om te reageren met andere stoffen, maar het mocht niet baten. Om de temperatuur van de condensatie te bepalen, wendden ze zich tot de enige persoon ter wereld die op dat moment over het juiste apparaat beschikte. Het was Karol Olszewski, professor scheikunde aan de Jagiellonian University. Olshevsky maakte argon vloeibaar en gestold en bepaalde ook de andere fysieke parameters.

Het rapport van Rayleigh en Ramsay in augustus 1894 veroorzaakte grote weerklank. Wetenschappers konden niet geloven dat generaties onderzoekers de 1%-component van lucht hadden verwaarloosd, die op aarde aanwezig is in een veel hogere hoeveelheid dan bijvoorbeeld zilver. Tests door anderen hebben het bestaan ​​van argon bevestigd. De ontdekking werd terecht beschouwd als een grote prestatie en een triomf van zorgvuldig experiment (er werd gezegd dat het nieuwe element verborgen was in de derde decimaal). Niemand had echter verwacht dat er...

… Een hele familie van gassen.

Heliumgroep (atoomnummer bovenaan, atoommassa onderaan).

Nog voordat de atmosfeer grondig was geanalyseerd, een jaar later, raakte Ramsay geïnteresseerd in een artikel in een geologisch tijdschrift dat melding maakte van het vrijkomen van gas uit uraniumertsen bij blootstelling aan zuur. Ramsay probeerde het opnieuw, onderzocht het resulterende gas met een spectroscoop en zag onbekende spectraallijnen. Overleg met Willem Krooks, een specialist in spectroscopie, leidde tot de conclusie dat er al lang naar gezocht werd op aarde hoge energie laser. Nu weten we dat dit een van de vervalproducten is van uranium en thorium, vervat in de ertsen van natuurlijke radioactieve elementen. Ramsay vroeg opnieuw aan Olszewski om het nieuwe gas vloeibaar te maken. Deze keer was de apparatuur echter niet in staat om voldoende lage temperaturen te bereiken en pas in 1908 werd vloeibaar helium verkregen.

Helium bleek ook een eenatomig gas te zijn en inactief, net als argon. De eigenschappen van beide elementen pasten in geen enkele familie van het periodiek systeem en er werd besloten om er een aparte groep voor te maken. [helowce_uklad] Ramsay kwam tot de conclusie dat er hiaten in zaten, en samen met zijn collega Morris Traverse verder onderzoek gestart. Door vloeibare lucht te destilleren, ontdekten chemici in 1898 nog drie gassen: neon (gr. = nieuw), krypton (gr. = skryty) i xenon (Grieks = buitenlands). Ze zijn allemaal, samen met helium, in minimale hoeveelheden in de lucht aanwezig, veel minder dan argon. De chemische passiviteit van de nieuwe elementen bracht onderzoekers ertoe om ze een gemeenschappelijke naam te geven. edele gassen. 

Na mislukte pogingen om zich van de lucht te scheiden, werd een ander helium ontdekt als een product van radioactieve transformaties. 1900 Frederik Dorn Orazo André-Louis Debirne ze merkten het vrijkomen van gas op (emanatie, zoals ze toen zeiden) uit radium, wat ze noemden radon. Al snel werd opgemerkt dat de emanaties ook thorium en actinium (thoron en actinon) uitstoten. Ramsay en Frederik Soddie bewezen dat ze één element zijn en het volgende edelgas dat ze noemden niton (Latijn = gloeien omdat de gasmonsters gloeiden in het donker). In 1923 werd nithon uiteindelijk radon, genoemd naar de langstlevende isotoop.

De laatste van de heliuminstallaties die het echte periodiek systeem sluiten, werd in 2006 verkregen in het Russische nucleaire laboratorium in Dubna. De naam, pas tien jaar later goedgekeurd, Oganesson, ter ere van de Russische kernfysicus Yuri Oganesyan. Het enige dat bekend is over het nieuwe element is dat het het zwaarste is dat tot nu toe bekend is en dat er maar een paar kernen zijn geproduceerd die minder dan een milliseconde hebben geleefd.

Chemische verkeerde allianties

Het geloof in de chemische passiviteit van helium stortte in 1962 ineen toen Neil Bartlett hij verkreeg een verbinding met de formule Xe [PtF₆]. De chemie van xenonverbindingen is tegenwoordig vrij uitgebreid: fluoriden, oxiden en zelfs zure zouten van dit element zijn bekend. Bovendien zijn het onder normale omstandigheden permanente verbindingen. Krypton is lichter dan xenon, vormt verschillende fluoriden, evenals het zwaardere radon (de radioactiviteit van dit laatste maakt onderzoek veel moeilijker). Aan de andere kant hebben de drie lichtste - helium, neon en argon - geen permanente verbindingen.

Chemische verbindingen van edelgassen met minder edele partners zijn te vergelijken met oude misallianties. Tegenwoordig is dit concept niet langer geldig, en het zou je niet moeten verbazen dat ...

Helikopters, van links naar rechts: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) en Morris Travers (1872–1961); portret uit de collectie van University College London.

… aristocraten werken.

Helium wordt verkregen door vloeibaar gemaakte lucht te scheiden in stikstof- en zuurstofinstallaties. Aan de andere kant is de bron van helium voornamelijk aardgas, waarin het tot enkele procenten van het volume uitmaakt (in Europa is de grootste heliumproductie-installatie actief in Ik verzette me, in het woiwodschap Groot-Polen). Hun eerste bezigheid was om te schitteren in lichtbuizen. Tegenwoordig is neonreclame nog steeds een lust voor het oog, maar heliummaterialen vormen ook de basis van sommige soorten lasers, zoals de argonlaser die we bij de tandarts of schoonheidsspecialist zullen tegenkomen.

Artistieke weergave van de Xenon Ion Probe Dawn nabij de asteroïde Ceres.

De chemische passiviteit van heliuminstallaties wordt gebruikt om een ​​atmosfeer te creëren die beschermt tegen oxidatie, bijvoorbeeld bij het lassen van metalen of hermetische voedselverpakkingen. Met helium gevulde lampen werken op een hogere temperatuur (dat wil zeggen, ze schijnen helderder) en gebruiken elektriciteit efficiënter. Meestal wordt argon gemengd met stikstof gebruikt, maar krypton en xenon geven nog betere resultaten. Het nieuwste gebruik van xenon is als voortstuwingsmateriaal bij de voortstuwing van ionenraketten, wat efficiënter is dan de voortstuwing van chemische stuwstoffen. Het lichtste helium is gevuld met weerballonnen en ballonnen voor kinderen. In een mengsel met zuurstof wordt helium door duikers gebruikt om op grote diepten te werken, wat decompressieziekte helpt voorkomen. De belangrijkste toepassing van helium is het bereiken van de lage temperaturen die nodig zijn om supergeleiders te laten functioneren.

Zuurstof-heliummengsel zorgt voor veilig duiken.