Elementárna aristokracia

Každý riadok periodickej tabuľky končí na konci. Pred niečo vyše sto rokmi sa ich existencia ani nepredpokladala. Potom ohromili svet svojimi chemickými vlastnosťami, či skôr absenciou. Dokonca sa neskôr ukázali ako logický dôsledok prírodných zákonov. vzácnych plynov.

Postupom času „išli do akcie“ a v druhej polovici minulého storočia sa začali spájať s menej noblesnými prvkami. Začnime príbeh základnej vysokej spoločnosti takto:

Pred dlhým časom…

... Bol tam pán.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) v starom náčrte.

Henry Cavendish patril k najvyššej britskej aristokracii, no zaujímalo ho spoznávanie tajomstiev prírody. V roku 1766 objavil vodík a o devätnásť rokov neskôr uskutočnil experiment, v ktorom sa mu podarilo nájsť ďalší prvok. Chcel zistiť, či vzduch obsahuje aj iné zložky okrem už známeho kyslíka a dusíka. Ohnutú sklenenú trubicu naplnil vzduchom, jej konce ponoril do ortuťových nádob a medzi ne prechádzal elektrickými výbojmi. Iskry spôsobili, že sa dusík spojil s kyslíkom a vzniknuté kyslé zlúčeniny boli absorbované alkalickým roztokom. V neprítomnosti kyslíka ho Cavendish naplnil do skúmavky a pokračoval v experimente, kým sa neodstránil všetok dusík. Experiment trval niekoľko týždňov, počas ktorých sa objem plynu v potrubí neustále zmenšoval. Akonáhle bol dusík vyčerpaný, Cavendish odstránil kyslík a zistil, že bublina stále existuje, čo odhadol ¹/₁₂₀ počiatočný objem vzduchu. Pán sa nepýtal na povahu zvyškov, pretože účinok považoval za chybu skúsenosti. Dnes vieme, že bol veľmi blízko k otvoreniu argón, ale dokončenie experimentu trvalo viac ako storočie.

slnečná záhada

Zatmenie Slnka vždy priťahovalo pozornosť bežných ľudí aj vedcov. 18. augusta 1868 astronómovia, ktorí pozorovali tento jav, prvýkrát použili spektroskop (navrhnutý pred menej ako desiatimi rokmi) na štúdium slnečných protuberancií, jasne viditeľných s tmavým diskom. francúzsky Pierre Janssen týmto spôsobom dokázal, že slnečná koróna sa skladá hlavne z vodíka a iných prvkov zeme. Ale na druhý deň pri opätovnom pozorovaní Slnka si všimol predtým nepopísanú spektrálnu čiaru nachádzajúcu sa v blízkosti charakteristickej žltej čiary sodíka. Janssen to nedokázal pripísať žiadnemu v tom čase známemu prvku. Rovnaké pozorovanie urobil anglický astronóm Norman Locker. Vedci predložili rôzne hypotézy o záhadnej zložke našej hviezdy. Pomenoval ho Lockyer vysokoenergetický laser, v mene gréckeho boha slnka - Hélia. Väčšina vedcov sa však domnievala, že žltá čiara, ktorú videli, bola súčasťou vodíkového spektra pri extrémne vysokých teplotách hviezdy. V roku 1881 taliansky fyzik a meteorológ Luigi Palmieri študoval sopečné plyny Vezuvu pomocou spektroskopu. V ich spektre našiel žltý pás pripisovaný héliu. Palmieri však výsledky svojich experimentov opísal nejasne a iní vedci ich nepotvrdili. Teraz vieme, že hélium sa nachádza v sopečných plynoch a Taliansko mohlo byť naozaj prvé, kto pozoroval spektrum pozemského hélia.

Ilustrácia z roku 1901 zobrazujúca prístroj na Cavendishov experiment

Otváranie na treťom desatinnom mieste

Na začiatku posledného desaťročia XNUMX storočia anglický fyzik Lord Rayleigh (John William Strutt) sa rozhodol presne určiť hustoty rôznych plynov, čo umožnilo aj presné určenie atómových hmotností ich prvkov. Rayleigh bol usilovným experimentátorom, takže získaval plyny zo širokej škály zdrojov, aby odhalil nečistoty, ktoré by skresľovali výsledky. Chybu odhodlania sa mu podarilo znížiť na stotiny percenta, čo bolo v tom čase veľmi málo. Analyzované plyny vykazovali zhodu so stanovenou hustotou v rámci chyby merania. To nikoho neprekvapilo, pretože zloženie chemických zlúčenín nezávisí od ich pôvodu. Výnimkou bol dusík – len ten mal inú hustotu v závislosti od spôsobu výroby. Dusík atmosférický (získaný zo vzduchu po oddelení kyslíka, vodnej pary a oxidu uhličitého) bol vždy ťažší ako chemický (získaný rozkladom jeho zlúčenín). Rozdiel, napodiv, bol konštantný a predstavoval asi 0,1 %. Rayleigh, ktorý nedokázal vysvetliť tento jav, sa obrátil na iných vedcov.

Pomoc, ktorú ponúka chemik William Ramsay. Obaja vedci dospeli k záveru, že jediným vysvetlením bola prítomnosť prímesi ťažšieho plynu v dusíku získanom zo vzduchu. Keď narazili na popis Cavendishovho experimentu, cítili, že sú na správnej ceste. Experiment zopakovali, tentoraz s použitím moderných zariadení, a čoskoro mali pri sebe vzorku neznámeho plynu. Spektroskopická analýza ukázala, že existuje oddelene od známych látok a ďalšie štúdie ukázali, že existuje ako samostatné atómy. Doteraz takéto plyny neboli známe (máme O₂, N₂, H₂), takže to znamenalo aj otvorenie nového prvku. Rayleigh a Ramsay sa ho pokúsili urobiť argón (grécky = lenivý) reagovať s inými látkami, no bezvýsledne. Aby určili teplotu jeho kondenzácie, obrátili sa na jedinú osobu na svete v tom čase, ktorá mala príslušný aparát. To bolo Karol Olszewski, profesor chémie na Jagelovskej univerzite. Olshevsky skvapalnil a stuhol argón a určil aj jeho ďalšie fyzikálne parametre.

Správa Rayleigha a Ramsayho v auguste 1894 vyvolala veľký ohlas. Vedci neverili, že generácie výskumníkov zanedbávali 1% zložku vzduchu, ktorá je na Zemi zastúpená v oveľa väčšom množstve ako napríklad striebro. Testy iných potvrdili existenciu argónu. Objav bol právom považovaný za veľký úspech a triumf starostlivého experimentu (hovorilo sa, že nový prvok bol skrytý na treťom desatinnom mieste). Nikto však nečakal, že dôjde k...

… Celá rodina plynov.

Skupina hélia (atómové číslo hore, atómová hmotnosť dole).

Ešte predtým, ako bola atmosféra dôkladne analyzovaná, o rok neskôr sa Ramsay začal zaujímať o článok v geologickom časopise, ktorý informoval o uvoľňovaní plynu z uránových rúd pri vystavení kyseline. Ramsay to skúsil znova, skúmal výsledný plyn spektroskopom a videl neznáme spektrálne čiary. Konzultácia s William Crooks, špecialistu na spektroskopiu, viedol k záveru, že sa na Zemi dlho hľadal vysokoenergetický laser. Teraz vieme, že ide o jeden z produktov rozpadu uránu a tória, ktoré sú obsiahnuté v rudách prírodných rádioaktívnych prvkov. Ramsay opäť požiadal Olszewského, aby nový plyn skvapalnil. Tentoraz však zariadenie nebolo schopné dosiahnuť dostatočne nízke teploty a tekuté hélium sa získalo až v roku 1908.

Hélium sa tiež ukázalo ako monatomický plyn a neaktívne, ako argón. Vlastnosti oboch prvkov nezapadali do žiadnej rodiny periodickej tabuľky a bolo rozhodnuté vytvoriť pre ne samostatnú skupinu. [helowce_uklad] Ramsay prišiel na to, že sú v tom medzery a spolu s kolegom Morrisem Traversem začal ďalší výskum. Destiláciou kvapalného vzduchu objavili chemici v roku 1898 ďalšie tri plyny: neón (gr. = nový), kryptón (gr. = skryty)i xenon (grécky = cudzí). Všetky sú spolu s héliom prítomné vo vzduchu v minimálnom množstve, oveľa menej ako argón. Chemická pasivita nových prvkov podnietila výskumníkov, aby im dali spoločný názov. vzácnych plynov. 

Po neúspešných pokusoch o oddelenie zo vzduchu bolo objavené ďalšie hélium ako produkt rádioaktívnych premien. V roku 1900 Frederick Dorn Oraz Andre-Louis Debirn zaznamenali uvoľňovanie plynu (vyžarovanie, ako vtedy hovorili) z rádia, ktoré nazvali radón. Čoskoro sa zistilo, že emanácie emitujú aj tórium a aktinium (thoron a aktinón). Ramsay a Frederick Soddy dokázali, že sú jedným prvkom a sú ďalším vzácnym plynom, ktorý pomenovali nitónu (lat. = svietiť, pretože vzorky plynu v tme svietili). V roku 1923 sa z nitónu napokon stal radón, pomenovaný podľa izotopu s najdlhšou životnosťou.

Posledné z héliových zariadení, ktoré uzatvárajú skutočnú periodickú tabuľku, bolo získané v roku 2006 v ruskom jadrovom laboratóriu v Dubne. Názov, schválený len o desať rokov neskôr, Oganesson, na počesť ruského jadrového fyzika Jurij Hovhannisjan. O novom prvku je známe len to, že je doteraz najťažším známym a že sa podarilo získať len niekoľko jadier, ktoré prežili menej ako milisekúndu.

Chemické nezhody

Viera v chemickú pasivitu hélia sa zrútila v roku 1962, keď Neil Bartlett získal zlúčeninu vzorca Xe [PtF₆]. Chémia xenónových zlúčenín je dnes pomerne rozsiahla: sú známe fluoridy, oxidy a dokonca aj kyslé soli tohto prvku. Okrem toho sú za normálnych podmienok trvalé zlúčeniny. Kryptón je ľahší ako xenón, tvorí niekoľko fluoridov, rovnako ako ťažší radón (rádioaktivita druhého z nich značne sťažuje výskum). Na druhej strane tri najľahšie - hélium, neón a argón - nemajú trvalé zlúčeniny.

Chemické zlúčeniny vzácnych plynov s menej ušľachtilými partnermi možno prirovnať k starým bludom. Dnes už tento pojem neplatí a netreba sa čudovať, že ...

Vrtuľníky zľava doprava: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842 – 1919), Sir William Ramsay (1852 – 1916) a Morris Travers (1872 – 1961); portrét zo zbierky University College London.

... práca aristokratov.

Hélium sa získava separáciou skvapalneného vzduchu v dusíkatých a kyslíkových zariadeniach. Na druhej strane zdrojom hélia je najmä zemný plyn, v ktorom je ho až niekoľko percent objemu (v Európe najväčší závod na výrobu hélia funguje v r. Prekonaný, vo Veľkopoľskom vojvodstve). Ich prvým zamestnaním bolo svietiť v žiarivkách. Neónová reklama v dnešnej dobe stále lahodí oku, no héliové materiály sú základom aj niektorých typov laserov, napríklad argónového lasera, s ktorým sa stretneme u zubára či kozmetičky.

Umelecké stvárnenie Xenon Ion Probe Dawn blízko asteroidu Ceres.

Chemická pasivita héliových inštalácií sa využíva na vytvorenie atmosféry, ktorá chráni pred oxidáciou, napríklad pri zváraní kovov alebo hermetických obalov potravín. Výbojky plnené héliom fungujú pri vyššej teplote (to znamená, že svietia jasnejšie) a efektívnejšie využívajú elektrickú energiu. Zvyčajne sa používa argón zmiešaný s dusíkom, ale kryptón a xenón poskytujú ešte lepšie výsledky. Najnovšie sa xenón používa ako pohonný materiál pri pohone iónových rakiet, ktorý je účinnejší ako pohon chemickým pohonom. Najľahšie hélium je naplnené meteorologickými balónmi a balónikmi pre deti. V zmesi s kyslíkom potápači využívajú hélium na prácu vo veľkých hĺbkach, čo pomáha predchádzať dekompresnej chorobe. Najdôležitejšou aplikáciou hélia je dosiahnutie nízkych teplôt potrebných na fungovanie supravodičov.

Zmes kyslíka a hélia zaisťuje bezpečné potápanie.