Elementarna aristokracija

Vsaka vrstica periodnega sistema se konča na koncu. Pred nekaj več kot sto leti o njihovem obstoju niti ni bilo pričakovati. Potem so osupnili svet s svojimi kemičnimi lastnostmi oziroma odsotnostjo. Tudi pozneje so se izkazale za logično posledico zakonov narave. žlahtni plini.

Sčasoma so »šli v akcijo«, v drugi polovici prejšnjega stoletja pa so jih začeli povezovati z manj žlahtnimi elementi. Začnimo zgodbo o osnovni visoki družbi takole:

Dolgo časa nazaj…

... Tam je bil gospodar.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) v stari skici.

Henry Cavendish pripadal je najvišji britanski aristokraciji, vendar ga je zanimalo spoznavanje skrivnosti narave. Leta 1766 je odkril vodik, devetnajst let pozneje pa je izvedel poskus, v katerem je lahko našel še en element. Želel je ugotoviti, ali zrak poleg že znanih kisika in dušika vsebuje še druge sestavine. Z zrakom je napolnil upognjeno stekleno cev, njene konce potopil v posode z živim srebrom in med njimi prenašal električne razelektritve. Iskre so povzročile, da se je dušik združil s kisikom, nastale kisle spojine pa je absorbirala alkalna raztopina. V odsotnosti kisika ga je Cavendish dal v cev in nadaljeval poskus, dokler ni bil odstranjen ves dušik. Poskus je trajal več tednov, v katerem se je količina plina v cevi nenehno zmanjševala. Ko je bil dušik izčrpan, je Cavendish odstranil kisik in ugotovil, da mehurček še vedno obstaja, za katerega je ocenil, da je ¹/₁₂₀ začetni volumen zraka. Gospod ni spraševal o naravi ostankov, saj je menil, da je učinek napaka izkušnje. Danes vemo, da je bil zelo blizu odprtju argon, vendar je za dokončanje poskusa trajalo več kot stoletje.

sončna skrivnost

Sončni mrki so vedno pritegnili pozornost tako navadnih ljudi kot znanstvenikov. 18. avgusta 1868 so astronomi, ki so opazovali ta pojav, prvič uporabili spektroskop (zasnovan pred manj kot desetimi leti) za preučevanje sončnih izbočenj, jasno vidnih s temnim diskom. francoski Pierre Janssen na ta način je dokazal, da je sončna korona sestavljena predvsem iz vodika in drugih elementov zemlje. Toda naslednji dan je med ponovnim opazovanjem Sonca opazil prej neopisano spektralno črto, ki se nahaja v bližini značilne rumene črte natrija. Janssen ga ni mogel pripisati nobenemu takrat znanemu elementu. Enako opažanje je naredil angleški astronom Norman Locker. Znanstveniki so postavili različne hipoteze o skrivnostni komponenti naše zvezde. Lockyer ga je poimenoval visokoenergetski laser, v imenu grškega boga sonca - Heliosa. Vendar je večina znanstvenikov verjela, da je rumena črta, ki so jo videli, del vodikovega spektra pri izjemno visokih temperaturah zvezde. Leta 1881 je bil italijanski fizik in meteorolog Luigi Palmieri preučeval vulkanske pline Vezuva s pomočjo spektroskopa. V njihovem spektru je našel rumen pas, ki ga pripisujejo heliju. Vendar je Palmieri nejasno opisal rezultate svojih poskusov, drugi znanstveniki pa jih niso potrdili. Zdaj vemo, da se helij nahaja v vulkanskih plinih in Italija je morda res bila prva, ki je opazila zemeljski spekter helija.

Ilustracija iz leta 1901, ki prikazuje aparat za Cavendishov eksperiment

Odpiranje na tretjem decimalnem mestu

V začetku zadnjega desetletja XNUMX stoletja je angleški fizik Lord Rayleigh (John William Strutt) se je odločil za natančno določanje gostot različnih plinov, kar je omogočilo tudi natančno določanje atomskih mas njihovih elementov. Rayleigh je bil marljiv eksperimentator, zato je pridobil pline iz najrazličnejših virov, da bi odkril nečistoče, ki bi ponaredile rezultate. Uspelo mu je zmanjšati napako določanja na stotinke odstotka, kar je bilo takrat zelo majhno. Analizirani plini so pokazali skladnost z ugotovljeno gostoto v okviru merilne napake. To nikogar ni presenetilo, saj sestava kemičnih spojin ni odvisna od njihovega izvora. Izjema je bil dušik – le ta je imel različno gostoto glede na način pridelave. Dušik atmosferski (dobljeni iz zraka po ločitvi kisika, vodne pare in ogljikovega dioksida) je bil vedno težji od kemično (pridobljeno z razgradnjo njegovih spojin). Razlika je bila, nenavadno, konstantna in je znašala približno 0,1%. Rayleigh, ki ni mogel razložiti tega pojava, se je obrnil na druge znanstvenike.

Pomoč, ki jo nudi kemik William Ramsay. Oba znanstvenika sta sklenila, da je edina razlaga prisotnost primesi težjega plina v dušiku, pridobljenem iz zraka. Ko so naleteli na opis eksperimenta Cavendish, so začutili, da so na pravi poti. Poskus so ponovili, tokrat s sodobno opremo, kmalu pa so imeli pri sebi vzorec neznanega plina. Spektroskopska analiza je pokazala, da obstaja ločeno od znanih snovi, druge študije pa so pokazale, da obstaja kot ločeni atomi. Doslej takšni plini niso bili poznani (imamo O₂, N₂, H₂), tako da je to pomenilo tudi odpiranje novega elementa. Rayleigh in Ramsay sta ga poskušala narediti argon (grško = len) reagirati z drugimi snovmi, vendar brez uspeha. Da bi določili temperaturo njegove kondenzacije, so se obrnili na edino osebo v tistem času na svetu, ki je imela ustrezen aparat. Bilo je Karol Olszewski, profesor kemije na Jagiellonski univerzi. Olshevsky je utekočinil in strdil argon ter določil tudi njegove druge fizikalne parametre.

Poročilo Rayleigha in Ramsaya avgusta 1894 je povzročilo velik odmev. Znanstveniki niso mogli verjeti, da so generacije raziskovalcev zanemarile 1-odstotno sestavino zraka, ki je na Zemlji prisotna v količini, ki je veliko večja od na primer srebra. Preizkusi drugih so potrdili obstoj argona. Odkritje je upravičeno veljalo za velik dosežek in zmagoslavje skrbnega eksperimenta (rečeno je bilo, da je bil nov element skrit na tretji decimalki). Vendar nihče ni pričakoval, da bo ...

… Cela družina plinov.

Helijeva skupina (atomsko število na vrhu, atomska masa spodaj).

Še preden je bilo ozračje temeljito analizirano, se je Ramsay leto pozneje začel zanimati za članek v geološki reviji, ki je poročal o sproščanju plina iz uranovih rud, ko je izpostavljen kislini. Ramsay je poskusil znova, pregledal nastali plin s spektroskopom in videl neznane spektralne črte. Posvetovanje z William Crookes, specialist za spektroskopijo, je pripeljal do zaključka, da ga že dolgo iščejo na Zemlji visokoenergetski laser. Zdaj vemo, da je to eden od produktov razpada urana in torija, ki jih vsebujejo rude naravnih radioaktivnih elementov. Ramsay je ponovno prosil Olszewskega, naj utekočini nov plin. Vendar tokrat oprema ni bila sposobna doseči dovolj nizkih temperatur, tekoči helij pa je bil pridobljen šele leta 1908.

Izkazalo se je tudi, da je helij enoatomski plin in neaktiven, kot argon. Lastnosti obeh elementov se niso ujemale v nobeno družino periodnega sistema in je bilo odločeno, da se zanje ustvari ločena skupina. [helowce_uklad] Ramsay je prišel do zaključka, da v njem obstajajo vrzeli, in skupaj s svojim kolegom Morris Traverse začela z nadaljnjimi raziskavami. Z destilacijo tekočega zraka so kemiki leta 1898 odkrili še tri pline: neon (gr. = novo), kripton (gr. = skryty)i ksenon (grško = tuje). Vsi skupaj s helijem so v zraku prisotni v minimalnih količinah, veliko manj kot argon. Kemična pasivnost novih elementov je spodbudila raziskovalce, da so jim dali skupno ime. žlahtni plini. 

Po neuspešnih poskusih ločitve od zraka so odkrili še en helij kot produkt radioaktivnih transformacij. Leta 1900 Frederick Dorn Oraz Andre-Louis Debirn opazili so sproščanje plina (emanacija, kot so takrat rekli) iz radija, ki so ga poimenovali radon. Kmalu je bilo opaziti, da emanacije oddajajo tudi torij in aktinij (toron in aktinon). Ramsay in Frederick Soddy dokazali, da so en element in so naslednji žlahtni plin, ki so ga poimenovali niton (Latinsko = svetiti, ker so vzorci plina žareli v temi). Leta 1923 je niton končno postal radon, poimenovan po najdlje živečem izotopu.

Zadnjo od helijevih instalacij, ki dopolnjujejo pravo periodno tabelo, so pridobili leta 2006 v ruskem jedrskem laboratoriju v Dubni. Ime, odobreno šele deset let pozneje, Oganesson, v čast ruskemu jedrskemu fiziku Jurij Oganesyan. O novem elementu je znano le to, da je najtežji znani doslej in da je bilo pridobljenih le nekaj jeder, ki so živela manj kot milisekundo.

Kemična neskladja

Vera v kemično pasivnost helija je padla leta 1962, ko Neil Bartlett dobil je spojino s formulo Xe [PtF₆]. Kemija ksenonskih spojin je danes precej obsežna: znani so fluoridi, oksidi in celo kislinske soli tega elementa. Poleg tega so v normalnih pogojih trajne spojine. Kripton je lažji od ksenona, tvori več fluoridov, prav tako težji radon (radioaktivnost slednjega močno otežuje raziskave). Po drugi strani pa trije najlažji - helij, neon in argon - nimajo trajnih spojin.

Kemične spojine žlahtnih plinov z manj žlahtnimi partnerji lahko primerjamo s starimi neskladji. Danes ta koncept ne velja več in ne bi se smeli čuditi, da ...

Helikopterji, od leve proti desni: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) in Morris Travers (1872–1961); portret iz zbirke University College London.

... aristokrati delajo.

Helij se pridobiva z ločevanjem utekočinjenega zraka v dušikovih in kisikovih rastlinah. Po drugi strani pa je vir helija predvsem zemeljski plin, v katerem je do nekaj odstotkov količinske (v Evropi obratuje največji obrat za proizvodnjo helija v Premagano, v Velikopoljskem vojvodstvu). Njihov prvi poklic je bil sijati v svetlečih ceveh. Dandanes je neonsko oglaševanje še vedno prijetno za oko, vendar pa so helijevi materiali tudi osnova nekaterih vrst laserjev, na primer argonskega laserja, ki ga bomo srečali pri zobozdravniku ali kozmetičarki.

Umetnikova upodobitev ksenonske ionske sonde Dawn blizu asteroida Ceres.

Kemična pasivnost helijevih naprav se uporablja za ustvarjanje atmosfere, ki ščiti pred oksidacijo, na primer pri varjenju kovin ali hermetične embalaže živil. Svetilke, polnjene s helijem, delujejo pri višji temperaturi (to pomeni, da svetijo močneje) in učinkoviteje uporabljajo elektriko. Običajno se uporablja argon v mešanici z dušikom, vendar kripton in ksenon dajeta še boljše rezultate. Najnovejša uporaba ksenona je kot pogonski material pri ionskem raketnem pogonu, ki je učinkovitejši od pogona na kemično gorivo. Najlažji helij je napolnjen z vremenskimi baloni in baloni za otroke. V mešanici s kisikom potapljači uporabljajo helij za delo na velikih globinah, kar pomaga preprečiti dekompresijsko bolezen. Najpomembnejša uporaba helija je doseganje nizkih temperatur, potrebnih za delovanje superprevodnikov.

Mešanica kisika in helija zagotavlja varno potapljanje.