Tầng lớp quý tộc nguyên tố

Mỗi hàng của bảng tuần hoàn kết thúc ở cuối. Hơn một trăm năm trước, sự tồn tại của chúng thậm chí còn không được cho là có. Sau đó, họ làm cả thế giới kinh ngạc với các đặc tính hóa học của chúng, hay đúng hơn là sự vắng mặt của chúng. Thậm chí sau này chúng hóa ra là một hệ quả hợp lý của các quy luật tự nhiên. khí trơ.

Theo thời gian, họ "hành động", và vào nửa sau của thế kỷ trước, họ bắt đầu được liên kết với những phần tử kém cao quý hơn. Hãy bắt đầu câu chuyện về xã hội trung học tiểu học như thế này:

Lâu lắm rồi…

… Có một vị chúa tể.

Ngài Henry Cavendish (1731-1810) trong một bức phác thảo cũ.

Henry Cavendish ông thuộc tầng lớp quý tộc cao nhất của Anh, nhưng ông quan tâm đến việc tìm hiểu những bí mật của tự nhiên. Năm 1766, ông phát hiện ra hydro, và mười chín năm sau, ông thực hiện một thí nghiệm, trong đó ông có thể tìm thấy một nguyên tố khác. Ông muốn tìm hiểu xem không khí có chứa các thành phần khác ngoài oxy và nitơ đã biết hay không. Anh ta đổ đầy không khí vào một ống thủy tinh đã uốn cong, nhúng hai đầu của nó vào các bình thủy ngân và cho phóng điện giữa chúng. Các tia lửa điện làm cho nitơ kết hợp với oxy, và các hợp chất có tính axit tạo thành được hấp thụ bởi dung dịch kiềm. Trong điều kiện thiếu oxy, Cavendish cho nó vào ống và tiếp tục thí nghiệm cho đến khi loại bỏ hết nitơ. Thí nghiệm kéo dài vài tuần, trong đó thể tích khí trong ống liên tục giảm. Khi nitơ cạn kiệt, Cavendish loại bỏ oxy và nhận thấy rằng bong bóng vẫn tồn tại, mà ông ước tính là ¹/₁₂₀ khối lượng không khí ban đầu. Chúa đã không hỏi về bản chất của các chất cặn bã, coi hiệu quả là một sai lầm của kinh nghiệm. Hôm nay chúng ta biết rằng anh ấy đã rất gần với việc mở argon, nhưng phải mất hơn một thế kỷ để hoàn thành thử nghiệm.

bí ẩn mặt trời

Nhật thực luôn thu hút sự chú ý của cả người thường và các nhà khoa học. Vào ngày 18 tháng 1868 năm XNUMX, các nhà thiên văn quan sát hiện tượng này lần đầu tiên sử dụng kính quang phổ (được thiết kế cách đây chưa đầy mười năm) để nghiên cứu các điểm nổi bật của mặt trời, có thể nhìn thấy rõ ràng bằng một đĩa tối. người Pháp Pierre Janssen Bằng cách này, ông đã chứng minh rằng vầng hào quang mặt trời được cấu tạo chủ yếu bởi hydro và các nguyên tố khác của trái đất. Nhưng ngày hôm sau, khi quan sát lại Mặt trời, ông nhận thấy một vạch quang phổ chưa được mô tả trước đó nằm gần vạch màu vàng đặc trưng của natri. Janssen không thể gán nó cho bất kỳ nguyên tố nào được biết vào thời điểm đó. Một nhà thiên văn học người Anh đã thực hiện quan sát tương tự. Tủ đựng đồ Norman. Các nhà khoa học đã đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau về thành phần bí ẩn của ngôi sao chúng ta. Lockyer đặt tên cho anh ta tia laser năng lượng cao, thay mặt cho thần mặt trời Hy Lạp - Helios. Tuy nhiên, hầu hết các nhà khoa học tin rằng vạch màu vàng mà họ nhìn thấy là một phần của quang phổ hydro ở nhiệt độ cực cao của ngôi sao. Năm 1881, một nhà vật lý và khí tượng học người Ý Luigi Palmieri đã nghiên cứu khí núi lửa Vesuvius bằng kính quang phổ. Trong quang phổ của chúng, ông đã tìm thấy một dải màu vàng được cho là do helium. Tuy nhiên, Palmieri đã mô tả một cách mơ hồ kết quả thí nghiệm của mình, còn các nhà khoa học khác thì không xác nhận. Bây giờ chúng ta biết rằng heli được tìm thấy trong khí núi lửa và Ý có thể thực sự là nước đầu tiên quan sát được quang phổ heli trên cạn.

Hình minh họa từ năm 1901 cho thấy bộ máy cho thí nghiệm Cavendish

Mở ở vị trí thập phân thứ ba

Vào đầu thập kỷ cuối của thế kỷ XNUMX, nhà vật lý người Anh Chúa Rayleigh (John William Strutt) đã quyết định xác định chính xác mật độ của các loại khí khác nhau, điều này cũng giúp xác định chính xác khối lượng nguyên tử của các nguyên tố của chúng. Rayleigh là một nhà thí nghiệm siêng năng, vì vậy ông đã thu thập các loại khí từ nhiều nguồn khác nhau để phát hiện các tạp chất có thể làm sai lệch kết quả. Anh ấy đã cố gắng giảm sai số xác định xuống một phần trăm phần trăm, vào thời điểm đó là rất nhỏ. Các khí được phân tích cho thấy tuân thủ mật độ xác định trong phạm vi sai số đo. Điều này không làm ai ngạc nhiên, vì thành phần của các hợp chất hóa học không phụ thuộc vào nguồn gốc của chúng. Ngoại lệ là nitơ - chỉ có điều nó có mật độ khác nhau tùy thuộc vào phương pháp sản xuất. nitơ khí quyển (thu được từ không khí sau khi tách khí oxi, hơi nước và khí cacbonic) luôn nặng hơn hóa chất (thu được bằng cách phân hủy các hợp chất của nó). Sự khác biệt, kỳ lạ thay, không đổi và lên tới khoảng 0,1%. Rayleigh, không thể giải thích hiện tượng này, đã quay sang các nhà khoa học khác.

Sự giúp đỡ của một nhà hóa học William Ramsay. Cả hai nhà khoa học đều kết luận rằng lời giải thích duy nhất là sự hiện diện của một hỗn hợp khí nặng hơn trong nitơ thu được từ không khí. Khi xem qua mô tả về thí nghiệm Cavendish, họ cảm thấy mình đang đi đúng hướng. Họ lặp lại thí nghiệm, lần này sử dụng thiết bị hiện đại, và chẳng bao lâu họ đã sở hữu được một mẫu khí không xác định. Phân tích quang phổ đã chỉ ra rằng nó tồn tại tách biệt với các chất đã biết, và các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng nó tồn tại dưới dạng các nguyên tử riêng biệt. Cho đến nay, những khí như vậy vẫn chưa được biết đến (chúng ta có O₂, N₂, H₂), vì vậy điều đó cũng có nghĩa là mở một phần tử mới. Rayleigh và Ramsay đã cố gắng làm cho anh ta argon (Tiếng Hy Lạp = lười biếng) để phản ứng với các chất khác, nhưng vô ích. Để xác định nhiệt độ ngưng tụ của nó, họ đã tìm đến người duy nhất trên thế giới vào thời điểm đó có thiết bị thích hợp. Nó đã Karol Olszewski, giáo sư hóa học tại Đại học Jagiellonian. Olshevsky hóa lỏng và đông đặc argon, đồng thời xác định các thông số vật lý khác của nó.

Báo cáo của Rayleigh và Ramsay vào tháng 1894 năm 1 đã gây được tiếng vang lớn. Các nhà khoa học không thể tin rằng nhiều thế hệ các nhà nghiên cứu đã bỏ qua XNUMX% thành phần của không khí, một thành phần có trên Trái đất với một lượng lớn hơn nhiều so với ví dụ, bạc. Các thử nghiệm của những người khác đã xác nhận sự tồn tại của argon. Khám phá đúng ra được coi là một thành tựu tuyệt vời và là một thắng lợi của thí nghiệm cẩn thận (người ta nói rằng nguyên tố mới được ẩn ở vị trí thập phân thứ ba). Tuy nhiên, không ai ngờ rằng sẽ có ...

… Cả một gia đình khí.

Nhóm heli (số nguyên tử ở đầu, khối lượng nguyên tử ở dưới cùng).

Ngay cả trước khi bầu khí quyển được phân tích kỹ lưỡng, một năm sau, Ramsay đã quan tâm đến một bài báo trên tạp chí địa chất báo cáo sự giải phóng khí từ quặng uranium khi tiếp xúc với axit. Ramsay thử lại, kiểm tra chất khí thu được bằng kính quang phổ và thấy các vạch quang phổ lạ. Tham vấn với William Crooks, một chuyên gia về quang phổ, đã đưa ra kết luận rằng nó đã được tìm kiếm từ lâu trên Trái đất tia laser năng lượng cao. Bây giờ chúng ta biết rằng đây là một trong những sản phẩm phân rã của uranium và thorium, chứa trong quặng của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên. Ramsay lại yêu cầu Olszewski hóa lỏng khí mới. Tuy nhiên, thời gian này thiết bị không có khả năng đạt được nhiệt độ đủ thấp, và helium lỏng phải đến năm 1908 mới được sản xuất.

Heli cũng hóa ra là một loại khí đơn thể và không hoạt động, giống như argon. Các thuộc tính của cả hai nguyên tố không phù hợp với bất kỳ họ nào của bảng tuần hoàn và người ta đã quyết định tạo một nhóm riêng cho chúng. [helowce_uklad] Ramsay đã đi đến kết luận rằng có những lỗ hổng trong đó và cùng với đồng nghiệp của mình Morrisem Traversem bắt đầu nghiên cứu sâu hơn. Bằng cách chưng cất không khí lỏng, các nhà hóa học đã phát hiện ra thêm ba loại khí nữa vào năm 1898: đèn neon (gr. = mới), krypton (gr. = skryty)i xenon (Tiếng Hy Lạp = nước ngoài). Tất cả chúng, cùng với heli, hiện diện trong không khí với số lượng tối thiểu, ít hơn nhiều so với argon. Tính thụ động hóa học của các nguyên tố mới đã khiến các nhà nghiên cứu đặt cho chúng một cái tên chung. khí trơ. 

Sau những nỗ lực không thành công để tách ra khỏi không khí, một heli khác được phát hiện là sản phẩm của quá trình biến đổi phóng xạ. Vào năm 1900 Frederick Dorn Oraz Andre-Louis Debirn họ nhận thấy sự giải phóng khí (phát xạ, như họ đã nói lúc đó) từ radium, mà họ gọi là radon. Người ta sớm nhận thấy rằng các chất phóng xạ cũng phát ra thori và actini (thoron và actinon). Ramsay và Frederick Soddy đã chứng minh rằng chúng là một nguyên tố và là khí cao quý tiếp theo mà chúng đặt tên niton (Tiếng Latinh = phát sáng vì các mẫu khí phát sáng trong bóng tối). Năm 1923, nithon cuối cùng trở thành radon, được đặt tên theo đồng vị tồn tại lâu nhất.

Hệ thống lắp đặt helium cuối cùng hoàn thành bảng tuần hoàn thực được thu được vào năm 2006 tại phòng thí nghiệm hạt nhân của Nga ở Dubna. Cái tên, được chấp thuận chỉ mười năm sau đó, Oganesson, để vinh danh nhà vật lý hạt nhân Nga Yuri Oganesyan. Điều duy nhất được biết về nguyên tố mới là nó là nguyên tố nặng nhất được biết đến cho đến nay và chỉ thu được một số hạt nhân có tuổi thọ dưới một phần nghìn giây.

Hóa chất sai lệch

Niềm tin vào tính thụ động hóa học của heli đã sụp đổ vào năm 1962 khi Neil Bartlett ông đã thu được một hợp chất có công thức Xe [PtF₆]. Hóa học của các hợp chất xenon ngày nay khá rộng rãi: florua, oxit và thậm chí cả muối axit của nguyên tố này đều được biết đến. Ngoài ra, chúng là những hợp chất vĩnh cửu trong điều kiện bình thường. Krypton nhẹ hơn xenon, tạo thành một số florua, cũng như radon nặng hơn (tính phóng xạ của chất này khiến việc nghiên cứu khó khăn hơn nhiều). Mặt khác, ba loại nhẹ nhất - helium, neon và argon - không có các hợp chất vĩnh cửu.

Các hợp chất hóa học của khí cao quý với các đối tác kém cao quý hơn có thể được so sánh với sự cân bằng cũ. Ngày nay, khái niệm này không còn hợp lệ, và người ta không nên ngạc nhiên rằng ...

Trực thăng, từ trái sang phải: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) và Morris Travers (1872–1961); chân dung từ bộ sưu tập của University College London.

… Quý tộc làm việc.

Heli thu được bằng cách tách không khí hóa lỏng trong nhà máy nitơ và oxy. Mặt khác, nguồn Heli chủ yếu là khí tự nhiên, trong đó chiếm tới vài phần trăm thể tích (ở Châu Âu, nhà máy sản xuất Heli lớn nhất hoạt động ở Vượt qua, ở Greater Poland Voivodeship). Nghề nghiệp đầu tiên của họ là tỏa sáng trong các ống dạ quang. Ngày nay, quảng cáo bằng đèn neon vẫn làm hài lòng mắt, nhưng vật liệu heli cũng là cơ sở của một số loại laser, chẳng hạn như laser argon mà chúng ta sẽ gặp ở nha sĩ hoặc bác sĩ thẩm mỹ.

Bản vẽ của nghệ sĩ về Bình minh Xenon Ion Probe gần tiểu hành tinh Ceres.

Tính thụ động hóa học của việc lắp đặt helium được sử dụng để tạo ra bầu không khí bảo vệ chống lại quá trình oxy hóa, ví dụ như khi hàn kim loại hoặc bao bì thực phẩm kín. Đèn chứa khí heli hoạt động ở nhiệt độ cao hơn (nghĩa là chúng sáng hơn) và sử dụng điện hiệu quả hơn. Thông thường argon được sử dụng trộn với nitơ, nhưng krypton và xenon cho kết quả tốt hơn. Ứng dụng mới nhất của xenon là làm vật liệu đẩy trong động cơ đẩy tên lửa ion, hiệu quả hơn động cơ đẩy bằng nhiên liệu hóa học. Khí heli nhẹ nhất chứa đầy bóng bay thời tiết và bóng bay cho trẻ em. Trong hỗn hợp với oxy, helium được thợ lặn sử dụng để làm việc ở độ sâu lớn, giúp tránh bệnh giảm áp. Ứng dụng quan trọng nhất của helium là đạt được nhiệt độ thấp cần thiết cho chất siêu dẫn hoạt động.

Hỗn hợp oxy-heli đảm bảo lặn an toàn.