Arystokracja żywiołów

Każdy rząd układu okresowego kończy się na końcu. Nieco ponad sto lat temu nawet nie przypuszczano ich istnienia. Potem zadziwili świat swoimi właściwościami chemicznymi, a raczej ich brakiem. Jeszcze później okazały się logiczną konsekwencją praw natury. Gazy szlachetne.

Z czasem „weszły do ​​akcji”, a w drugiej połowie ubiegłego wieku zaczęto kojarzyć z elementami mniej szlachetnymi. Zacznijmy opowieść o elementarnych wyższych sferach w ten sposób:

Dawno temu…

… Był pan.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) w starym szkicu.

Henry Cavendish należał do najwyższej brytyjskiej arystokracji, ale interesowało go poznawanie tajników przyrody. W 1766 odkrył wodór, a dziewiętnaście lat później przeprowadził eksperyment, w którym udało mu się znaleźć kolejny pierwiastek. Chciał dowiedzieć się, czy powietrze zawiera inne składniki poza znanym już tlenem i azotem. Napełnił powietrzem wygiętą szklaną rurkę, zanurzył jej końce w naczyniach rtęciowych i przepuścił między nimi wyładowania elektryczne. Iskry spowodowały połączenie azotu z tlenem, a powstałe związki kwasowe zostały wchłonięte przez roztwór alkaliczny. W przypadku braku tlenu Cavendish wprowadził go do probówki i kontynuował eksperyment, aż cały azot został usunięty. Eksperyment trwał kilka tygodni, podczas których objętość gazu w rurze stale się zmniejszała. Gdy azot został wyczerpany, Cavendish usunął tlen i stwierdził, że bańka nadal istnieje, co według niego jest ¹/₁₂₀ początkowa objętość powietrza. Pan nie pytał o naturę pozostałości, uznając efekt za błąd doświadczenia. Dziś wiemy, że był bardzo bliski otwarcia argon, ale ukończenie eksperymentu zajęło ponad sto lat.

słoneczna tajemnica

Zaćmienia Słońca zawsze przyciągały uwagę zwykłych ludzi i naukowców. 18 sierpnia 1868 roku astronomowie obserwujący to zjawisko po raz pierwszy użyli spektroskopu (zaprojektowanego mniej niż dziesięć lat temu) do badania protuberancji słonecznych, wyraźnie widocznych przy zaciemnionym dysku. Francuski Pierre Janssen w ten sposób udowodnił, że korona słoneczna składa się głównie z wodoru i innych pierwiastków ziemi. Ale następnego dnia, ponownie obserwując Słońce, zauważył nieopisaną wcześniej linię widmową znajdującą się w pobliżu charakterystycznej żółtej linii sodu. Janssen nie był w stanie przypisać go żadnemu znanemu wówczas pierwiastkowi. Tej samej obserwacji dokonał angielski astronom Norman Locker. Naukowcy wysunęli różne hipotezy dotyczące tajemniczego składnika naszej gwiazdy. Lockyer nazwał go laser wysokoenergetyczny, w imieniu greckiego boga słońca - Heliosa. Jednak większość naukowców uważała, że ​​żółta linia, którą widzieli, była częścią widma wodoru w ekstremalnie wysokich temperaturach gwiazdy. W 1881 roku włoski fizyk i meteorolog Luigi Palmieri badał gazy wulkaniczne Wezuwiusza za pomocą spektroskopu. W ich widmie znalazł żółty pas przypisywany helu. Palmieri opisał jednak wyniki swoich eksperymentów niejasno, a inni naukowcy ich nie potwierdzili. Teraz wiemy, że hel znajduje się w gazach wulkanicznych, a Włochy mogły rzeczywiście być pierwszymi, które zaobserwowały ziemskie widmo helu.

Ilustracja z 1901 roku przedstawiająca aparaturę do eksperymentu Cavendisha

Otwarcie na trzecim miejscu po przecinku

Na początku ostatniej dekady XX wieku angielski fizyk Lord Rayleigh (John William Strutt) postanowił dokładnie określić gęstości różnych gazów, co umożliwiło również dokładne określenie mas atomowych ich pierwiastków. Rayleigh był sumiennym eksperymentatorem, więc pozyskiwał gazy z wielu różnych źródeł w celu wykrycia zanieczyszczeń, które fałszowałyby wyniki. Udało mu się zredukować błąd oznaczenia do setnych części procenta, co w tamtym czasie było bardzo małe. Analizowane gazy wykazały zgodność z wyznaczoną gęstością w granicach błędu pomiarowego. Nikogo to nie zdziwiło, ponieważ skład związków chemicznych nie zależy od ich pochodzenia. Wyjątkiem był azot – tyle że miał różną gęstość w zależności od metody produkcji. Azot atmosferyczny (uzyskiwany z powietrza po oddzieleniu tlenu, pary wodnej i dwutlenku węgla) zawsze był cięższy niż chemiczny (otrzymywany przez rozkład jego związków). Różnica, co dziwne, była stała i wynosiła około 0,1%. Rayleigh, nie mogąc wyjaśnić tego zjawiska, zwrócił się do innych naukowców.

Pomoc oferowana przez chemika William Ramsay. Obaj naukowcy doszli do wniosku, że jedynym wytłumaczeniem była obecność domieszki cięższego gazu w azocie pozyskiwanym z powietrza. Kiedy natknęli się na opis eksperymentu Cavendisha, poczuli, że są na dobrej drodze. Powtórzyli eksperyment, tym razem przy użyciu nowoczesnego sprzętu, i wkrótce mieli w swoim posiadaniu próbkę nieznanego gazu. Analiza spektroskopowa wykazała, że ​​istnieje niezależnie od znanych substancji, a inne badania wykazały, że istnieje jako oddzielne atomy. Do tej pory takie gazy nie były znane (mamy O₂, N₂H₂), więc oznaczało to również otwarcie nowego elementu. Rayleigh i Ramsay próbowali go zmusić… argon (z greckiego = leniwy) wchodzić w reakcje z innymi substancjami, ale bezskutecznie. Aby określić temperaturę jego kondensacji, zwrócili się do jedynej wówczas osoby na świecie, która posiadała odpowiednią aparaturę. To było Karol Olszewski, profesor chemii na Uniwersytecie Jagiellońskim. Olshevsky skroplił i zestalił argon, a także określił jego inne parametry fizyczne.

Raport Rayleigha i Ramsaya z sierpnia 1894 roku wywołał wielki rezonans. Naukowcy nie mogli uwierzyć, że pokolenia badaczy zaniedbały 1% składnik powietrza, który występuje na Ziemi w ilości znacznie większej niż np. srebro. Testy przeprowadzone przez innych potwierdziły istnienie argonu. Odkrycie słusznie uznano za wielkie osiągnięcie i triumf starannego eksperymentu (mówiono, że nowy pierwiastek ukryto na trzecim miejscu po przecinku). Nikt jednak nie spodziewał się, że będzie…

… Cała rodzina gazów.

Grupa helowa (liczba atomowa na górze, masa atomowa na dole).

Jeszcze przed dokładnym przeanalizowaniem atmosfery, rok później, Ramsay zainteresował się artykułem w czasopiśmie geologicznym, który donosił o uwolnieniu gazu z rud uranu po wystawieniu na działanie kwasu. Ramsay spróbował ponownie, zbadał powstały gaz za pomocą spektroskopu i zobaczył nieznane linie widmowe. Konsultacja z William Crookes, specjalista spektroskopii, doszedł do wniosku, że od dawna jest poszukiwany na Ziemi laser wysokoenergetyczny. Teraz wiemy, że jest to jeden z produktów rozpadu uranu i toru, zawarty w rudach naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. Ramsay ponownie poprosił Olszewskiego o skroplenie nowego gazu. Jednak tym razem sprzęt nie był w stanie osiągnąć wystarczająco niskich temperatur, a ciekły hel uzyskano dopiero w 1908 roku.

Hel okazał się również gazem jednoatomowym i nieaktywnym, jak argon. Właściwości obu pierwiastków nie mieściły się w żadnej rodzinie układu okresowego i postanowiono stworzyć dla nich osobną grupę. [helowce_uklad] Ramsay doszedł do wniosku, że są w tym luki i razem z kolegą Trawersem Morrisem rozpoczął dalsze badania. Poprzez destylację ciekłego powietrza chemicy odkryli w 1898 roku jeszcze trzy gazy: neon (gr. = nowy), krypton (gr. = skryty) i ksenon (grecki = obcy). Wszystkie one, wraz z helem, są obecne w powietrzu w minimalnych ilościach, znacznie mniejszych niż argon. Bierność chemiczna nowych pierwiastków skłoniła naukowców do nadania im wspólnej nazwy. Gazy szlachetne. 

Po nieudanych próbach oddzielenia się od powietrza odkryto kolejny hel jako produkt przemian radioaktywnych. W 1900 Fryderyk Dorn Oraz André-Louis Debirne zauważyli uwolnienie gazu (emanację, jak wtedy mówili) z radu, który nazwali radon. Wkrótce zauważono, że emanacje emitują również tor i aktyn (toron i aktynon). Ramsay i Fryderyk Soddy udowodnili, że są jednym pierwiastkiem i są kolejnym gazem szlachetnym, który wymienili niton (łac. = świecić, ponieważ próbki gazu świeciły w ciemności). W 1923 r. niton ostatecznie stał się radonem, nazwanym na cześć najdłużej żyjącego izotopu.

Ostatnią z instalacji helowych zamykających rzeczywisty układ okresowy pierwiastków uzyskano w 2006 roku w rosyjskim laboratorium jądrowym w Dubnej. Nazwa, zatwierdzona dopiero dziesięć lat później, Oganesson, na cześć rosyjskiego fizyka jądrowego Jurij Oganesjan. Jedyną rzeczą, o której wiadomo o nowym pierwiastku, jest to, że jest najcięższy ze znanych dotychczas i że uzyskano tylko kilka jąder, które żyją krócej niż milisekunda.

Mezalianse chemiczne

Wiara w chemiczną pasywność helu upadła w 1962 roku, kiedy Neila Bartletta otrzymał związek o wzorze Xe [PtF₆]. Chemia związków ksenonowych jest dziś dość obszerna: znane są fluorki, tlenki, a nawet kwaśne sole tego pierwiastka. Ponadto w normalnych warunkach są związkami trwałymi. Krypton jest lżejszy od ksenonu, tworzy kilka fluorków, podobnie jak cięższy radon (radioaktywność tego ostatniego znacznie utrudnia badania). Natomiast trzy najlżejsze – hel, neon i argon – nie mają związków trwałych.

Związki chemiczne gazów szlachetnych z mniej szlachetnymi partnerami można porównać do starych mezaliansów. Dziś ta koncepcja już nie obowiązuje i nie należy się dziwić, że…

Helikoptery, od lewej do prawej: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842-1919), Sir William Ramsay (1852-1916) i Morris Travers (1872-1961); portret z kolekcji University College London.

… arystokraci pracują.

Hel otrzymuje się przez rozdzielenie skroplonego powietrza w zakładach azotowych i tlenowych. Z kolei źródłem helu jest głównie gaz ziemny, w którym stanowi on nawet kilka procent wolumenu (w Europie największy zakład produkcji helu działa w доланув, w województwie wielkopolskim). Ich pierwszym zajęciem było świecenie w świetlistych tubach. W dzisiejszych czasach reklama neonowa wciąż cieszy oko, ale materiały helowe są również podstawą niektórych rodzajów laserów, jak np. laser argonowy, z którym spotkamy się u dentysty czy kosmetyczki.

Wizualizacja przez artystę Xenon Ion Probe Dawn w pobliżu asteroidy Ceres.

Chemiczna pasywność instalacji helowych wykorzystywana jest do tworzenia atmosfery chroniącej przed utlenianiem np. podczas spawania metali czy hermetycznych opakowań do żywności. Lampy wypełnione helem działają w wyższej temperaturze (to znaczy świecą jaśniej) i wydajniej wykorzystują energię elektryczną. Zwykle stosuje się argon zmieszany z azotem, ale krypton i ksenon dają jeszcze lepsze wyniki. Najnowszym zastosowaniem ksenonu jest materiał napędowy w napędzie rakiet jonowych, który jest bardziej wydajny niż napęd chemiczny. Najlżejszy hel wypełniony jest balonami pogodowymi i balonami dla dzieci. W mieszaninie z tlenem hel jest wykorzystywany przez nurków do pracy na dużych głębokościach, co pozwala uniknąć choroby dekompresyjnej. Najważniejszym zastosowaniem helu jest osiąganie niskich temperatur wymaganych do działania nadprzewodników.

Mieszanka tlenowo-helowa zapewnia bezpieczne nurkowanie.