Елементарна аристократија

Сваки ред периодног система завршава се на крају. Пре нешто више од сто година о њиховом постојању није се ни претпостављало. Тада су задивили свет својим хемијским својствима, односно одсуством. И касније се показало да су оне логична последица закона природе. племените гасове.

Временом су „пошли у акцију“, а у другој половини прошлог века почели су да се везују за мање племените елементе. Почнимо причу о елементарном високом друштву овако:

Давно…

... Постојао је лорд.

Лорд Хенри Кевендиш (1731-1810) у старој скици.

Хенри Цавендисх припадао је највишој британској аристократији, али је био заинтересован за упознавање тајни природе. Године 1766. открио је водоник, а деветнаест година касније спровео је експеримент у којем је успео да пронађе још један елемент. Желео је да сазна да ли ваздух садржи и друге компоненте осим већ познатих кисеоника и азота. Напунио је савијену стаклену цев ваздухом, потопио њене крајеве у посуде са живом и пропуштао електрична пражњења између њих. Варнице су довеле до спајања азота са кисеоником, а настала кисела једињења су апсорбована у раствор алкалија. У недостатку кисеоника, Кевендиш га је убацио у епрувету и наставио експеримент све док се сав азот не уклони. Експеримент је трајао неколико недеља, током којих се запремина гаса у цеви константно смањивала. Када је азот исцрпљен, Кевендиш је уклонио кисеоник и открио да мехур још увек постоји, за који је проценио да је ¹/₁₂₀ почетна запремина ваздуха. Господ није питао за природу остатака, сматрајући да је ефекат грешка искуства. Данас знамо да је био веома близу отварања аргон, али је било потребно више од једног века да се експеримент заврши.

соларна мистерија

Помрачења Сунца су увек привлачила пажњу и обичних људи и научника. Дана 18. августа 1868. године, астрономи који су посматрали овај феномен су први пут користили спектроскоп (дизајниран пре мање од десет година) за проучавање сунчевих испупчења, јасно видљивих са затамњеним диском. Француски Пиерре Јанссен на тај начин је доказао да се соларна корона састоји углавном од водоника и других елемената земље. Али следећег дана, док је поново посматрао Сунце, приметио је раније неописану спектралну линију која се налази близу карактеристичне жуте линије натријума. Јансен то није могао да припише било ком елементу познатом у то време. Исто запажање направио је и енглески астроном Норман Лоцкер. Научници су изнели различите хипотезе о мистериозној компоненти наше звезде. Лоцкиер га је именовао ласер високе енергије, у име грчког бога сунца - Хелиоса. Међутим, већина научника је веровала да је жута линија коју су видели део спектра водоника на екстремно високим температурама звезде. 1881. италијански физичар и метеоролог Луиги Палмиери проучавао вулканске гасове Везува помоћу спектроскопа. У њиховом спектру је пронашао жуту траку која се приписује хелијуму. Међутим, Палмиери је нејасно описао резултате својих експеримената, а други научници их нису потврдили. Сада знамо да се хелијум налази у вулканским гасовима, а Италија је можда заиста била прва која је посматрала земаљски спектар хелијума.

Илустрација из 1901. која приказује апарат за Кевендиш експеримент

Отварање на трећој децимали

Почетком последње деценије КСНУМКС века, енглески физичар Лорд Раилеигх (Јохн Виллиам Струтт) одлучио је да прецизно одреди густине различитих гасова, што је такође омогућило да се тачно одреде атомске масе њихових елемената. Рејли је био марљив експериментатор, па је добијао гасове из разних извора како би открио нечистоће које би погрешиле резултате. Успео је да грешку у одређивању сведе на стоти део процента, што је у то време било веома мало. Анализирани гасови су показали усклађеност са утврђеном густином у оквиру грешке мерења. Ово никога није изненадило, јер састав хемијских једињења не зависи од њиховог порекла. Изузетак је био азот - само што је имао различиту густину у зависности од начина производње. Азот атмосферски (добија се из ваздуха након одвајања кисеоника, водене паре и угљен-диоксида) увек је била тежа од хемијски (добија се разлагањем његових једињења). Разлика је, зачудо, била константна и износила је око 0,1%. Рејли, неспособан да објасни овај феномен, обратио се другим научницима.

Помоћ коју нуди хемичар Виллиам Рамсаи. Оба научника су закључила да је једино објашњење присуство примеса тежег гаса у азоту добијеном из ваздуха. Када су наишли на опис Кевендишовог експеримента, осетили су да су на правом путу. Експеримент су поновили, овога пута користећи савремену опрему, и убрзо су код себе имали узорак непознатог гаса. Спектроскопска анализа је показала да постоји одвојено од познатих супстанци, а друга истраживања су показала да постоји као засебни атоми. До сада такви гасови нису били познати (имамо О₂, Н₂, Х₂), па је то значило и отварање новог елемента. Раилеигх и Рамсаи су покушали да га натерају аргон (грчки = лењ) реаговати са другим супстанцама, али безуспешно. Да би одредили температуру његове кондензације, обратили су се јединој особи на свету у то време која је имала одговарајући апарат. Било је Карол Олсзевски, професор хемије на Јагелонском универзитету. Олшевски је течни и очврснуо аргон, а такође је одредио и друге његове физичке параметре.

Извештај Рејлија и Ремзија из августа 1894. изазвао је велики одјек. Научници нису могли да верују да су генерације истраживача занемариле компоненту ваздуха од 1% која је на Земљи присутна у количини много већој од, на пример, сребра. Други тестови су потврдили постојање аргона. Откриће се с правом сматрало великим достигнућем и тријумфом пажљивог експеримента (речено је да је нови елемент сакривен на трећем децималу). Међутим, нико није очекивао да ће бити...

... Цела породица гасова.

Група хелијума (атомски број на врху, атомска маса на дну).

Чак и пре него што је атмосфера била темељно анализирана, годину дана касније, Ремзи се заинтересовао за чланак у геолошком часопису који је извештавао о ослобађању гаса из руда уранијума када је изложен киселини. Ремзи је покушао поново, испитао настали гас спектроскопом и видео непознате спектралне линије. Консултације са Виллиам Цроокс, специјалиста за спектроскопију, довео је до закључка да се она дуго тражи на Земљи ласер високе енергије. Сада знамо да је ово један од производа распада уранијума и торијума, садржаних у рудама природних радиоактивних елемената. Ремзи је поново затражио од Олшевског да утечи нови гас. Међутим, овога пута опрема није била у стању да постигне довољно ниске температуре, а течни хелијум је добијен тек 1908. године.

Хелијум се такође показао као једноатомски гас и неактиван, попут аргона. Својства оба елемента нису се уклапала ни у једну породицу периодног система и одлучено је да се за њих направи посебна група. [хеловце_уклад] Ремзи је дошао до закључка да у томе има празнина и заједно са својим колегом Моррисем Траверсем започео даља истраживања. Дестилацијом течног ваздуха, хемичари су 1898. открили још три гаса: неон (гр. = нов), криптон (gr. = skryty) i кенон (грчки = страни). Сви они, заједно са хелијумом, присутни су у ваздуху у минималним количинама, много мање од аргона. Хемијска пасивност нових елемената подстакла је истраживаче да им дају заједничко име. племените гасове. 

После неуспешних покушаја да се одвоји од ваздуха, откривен је још један хелијум као производ радиоактивних трансформација. Године 1900 Фредерицк Дорн Oraz Андре-Луј Дебирн приметили су ослобађање гаса (еманације, како су тада рекли) из радијума који су звали радон. Убрзо је примећено да еманације емитују и торијум и актинијум (торон и актинон). Рамсаи анд Фредерицк Содди доказали да су један елемент и да су следећи племенити гас који су назвали нитон (латински = светлети јер су узорци гаса сијали у мраку). Године 1923. нитон је коначно постао радон, назван по најдуговечнијем изотопу.

Последња од хелијумских инсталација која употпуњују прави периодни систем добијена је 2006. године у руској нуклеарној лабораторији у Дубни. Име, одобрено тек десет година касније, Оганессон, у част руског нуклеарног физичара Јуриј Оганесјан. Једино што се зна о новом елементу је да је најтежи познати до сада и да је добијено само неколико језгара која су живела мање од милисекунди.

Хемијске мизалијансе

Веровање у хемијску пасивност хелијума срушило се 1962. када Неил Бартлетт добио је једињење формуле Ксе [ПтФ₆]. Хемија једињења ксенона данас је прилично опсежна: познати су флуориди, оксиди, па чак и киселе соли овог елемента. Поред тога, они су трајна једињења у нормалним условима. Криптон је лакши од ксенона, формира неколико флуорида, као и тежи радон (радиоактивност овог другог отежава истраживање). С друге стране, три најлакша - хелијум, неон и аргон - немају трајна једињења.

Хемијска једињења племенитих гасова са мање племенитим партнерима могу се упоредити са старим мизалијансима. Данас овај концепт више не важи, и не треба се чудити што ...

Хеликоптери, с лева на десно: Лорд Рејли (Џон Вилијам Страт, 1842–1919), Сер Вилијам Ремзи (1852–1916) и Морис Траверс (1872–1961); портрет из колекције Универзитетског колеџа у Лондону.

… аристократе раде.

Хелијум се добија одвајањем течног ваздуха у постројењима азота и кисеоника. С друге стране, извор хелијума је углавном природни гас, у коме га чини до неколико одсто запремине (у Европи ради највећа фабрика за производњу хелијума у Савладао, у Великопољском војводству). Њихово прво занимање било је да сијају у светлећим цевима. Данас неонско оглашавање и даље прија оку, али хелијумски материјали су и основа неких врста ласера, попут аргонског ласера ​​који ћемо срести код зубара или козметичара.

Уметнички приказ Зоре сонде са ксенонским јонима у близини астероида Церес.

Хемијска пасивност хелијумских инсталација се користи за стварање атмосфере која штити од оксидације, на пример, приликом заваривања метала или херметичке амбалаже за храну. Лампе пуњене хелијумом раде на вишој температури (то јест, сијају јаче) и ефикасније користе електричну енергију. Обично се користи аргон помешан са азотом, али криптон и ксенон дају још боље резултате. Најновија употреба ксенона је као погонски материјал у јонском ракетном погону, који је ефикаснији од погона на хемијско гориво. Најлакши хелијум је испуњен временским балонима и балонима за децу. У мешавини са кисеоником, рониоци користе хелијум за рад на великим дубинама, што помаже да се избегне декомпресијска болест. Најважнија примена хелијума је постизање ниских температура потребних за функционисање суперпроводника.

Мешавина кисеоника и хелијума обезбеђује сигурно роњење.