Инертные газы

     Под действием электрического тока аргон  ярко светится, и сегодня сине-голубое  свечение аргона широко используется в светотехнике. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2 Гелий.  

     У каждого элемента своя история открытия. Пожалуй, наиболее поучительная — у  гелия, ведь вплоть до конца 1930-х годов  ученые не могли окончательно опровергнуть предположение, что где-нибудь во Вселенной  могут существовать химические элементы, которых нет на Земле. Если бы это  оказалось правдой, был бы подвергнут сомнению один из главных принципов  современной науки, согласно которому все известные нам в настоящее  время законы природы действовали  и будут действовать всегда и  во всех точках Вселенной (в этом состоит  принцип Коперника).

     Ключевую  роль в истории открытия гелия  сыграл Норман Локьер, основатель одного из передовых мировых научных  изданий — журнала Nature. В процессе подготовки к выпуску журнала  он познакомился с лондонским научным  истеблишментом и увлекся астрономией. Это было время, когда, вдохновленные  открытием Кирхгофа—Бунзена, астрономы  только начинали изучать спектр света, испускаемого звездами. Локьеру самому удалось сделать ряд важных открытий — в частности, он первым показал, что солнечные пятна холоднее остальной солнечной поверхности, а также первый указал на наличие  у Солнца внешней оболочки, назвав ее хромосферой. В 1868 году, исследуя свет, излучаемый атомами в протуберанцах  — огромных выбросах плазмы с поверхности  Солнца, — Локьер заметил ряд  прежде неизвестных спектральных линий. Попытки получить такие же линии  в лабораторных условиях окончились неудачей, из чего Локьер сделал вывод, что он обнаружил новый химический элемент. Локьер назвал его гелием, от греческого helios — «Солнце».

     Ученые  недоумевали, как им отнестись к  появлению гелия. Одни предполагали, что при интерпретации спектров протуберанцев была допущена ошибка, однако эта точка зрения получала все меньше сторонников, поскольку  все большему количеству астрономов удавалось наблюдать линии Локьера. Другие утверждали, что на Солнце есть элементы, которых нет на Земле  — что, как уже говорилось, противоречит главному положению о законах  природы. Третьи (их было меньшинство) считали, что когда-нибудь гелий  будет найден и на Земле.

                В конце 1890-х годов лорд Рэлей и сэр Уильям Рамзай провели серию опытов, приведших к открытию аргона. Рамзай переделал свою установку, чтобы с ее помощью исследовать газы, выделяемые урансодержащими минералами. В спектре этих газов Рамзай обнаружил неизвестные линии и послал образцы нескольким коллегам для анализа. Получив образец, Локьер сразу же узнал линии, которые более четверти века назад он наблюдал в солнечном свете. Загадка гелия была решена: газ, несомненно, находится на Солнце, но он существует также и здесь, на Земле.

     В 1895году, через несколько месяцев после открытия аргона, почти одновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что

α-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.

     В наше время этот газ больше всего  известен в обычной жизни как  газ для надувания дирижаблей и воздушных шаров, а в науке — благодаря его применению в криогенике, технологии достижения сверхнизких температур. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3 Криптон.  

Для начала его  имя дали совершенно другому веществу. И только потом — открыли. Это  абсолютно неактивный газ: в обычных  условиях он не желает вступать в реакции  ни с какими химическими элементами. Тем не менее пассивное вещество весьма активно используется человеком.

«Секретный  газ»

     Впервые криптоном был назван газ, выделенный Уильямом Рамзаем из минерала клевеита. Но очень скоро пришлось это имя  снять и элемент «закрыть». Английский спектроскопист Уильям Крукс установил, что газ не что иное, как уже  известный по солнечному спектру  гелий. Спустя три года, в 1898 году, название «криптон» вновь появилось, его  присвоили новому элементу, новому инертному газу.

     Открыл  его, как и многие инертные газы, опять же Рамзай, и почти случайно — «шел в дверь, попал в другую». Намереваясь выделить гелий из жидкого  воздуха, ученый пошел было по ложному  следу: он пытался обнаружить гелий  в высококипящих фракциях воздуха. Разумеется, гелия, самого низкокипящего  из всех газов, там не могло быть, и Рамзай его не нашел. Зато он увидел в спектре тяжелых фракций  желтую и зеленую линии в тех  местах, где подобных следов не оставлял ни один из известных элементов. Так  был открыт криптон, элемент, имя  которого в переводе с греческого значит «скрытный», «секретный».

«Родословная» криптона

     Известно, что гелий, радон, почти весь аргон  и, вероятно, неон нашей планеты имеют  радиогенное происхождение, то есть они — продукты радиоактивного распада. А как обстоит дело с криптоном?

     Среди известных природных ядерных  процессов, порождающих криптон, наибольший интерес представляет самопроизвольное деление ядер урана и тория. Подcчеты, однако, показывают, что радиоактивный  распад (включая деление урана-235 медленными нейтронами) — не главный  «изготовитель» криптона. За время  существования Земли (если считать  его равным 5 миллиардам лет) эти  процессы смогли выработать не более  двух-трех десятых процента существующего  на нашей планете элемента №36.

Свойства  криптона

Криптон (Kr) —  моноатомный, химически инертный газ  без запаха, цвета и вкуса, негорючий, неядовитый. Это неактивный газ, он не вступает в реакции ни с какими химическими элементами в обычных  условиях.Газообразный криптон в 2,87 раза тяжелее воздуха, а жидкий —  в 2,14 раза тяжелее воды. Криптон превращается в жидкость при -153,35°С, а уже при -157,37°С криптон отвердевает.

В обычных условиях криптон дает зеленовато-голубое свечение. 

2.4 Неон.

     Это шестой по распространённости элемент во Вселенной — после водорода, гелия, кислорода, азота и углерода. Его существование предсказали дважды. Он был назван «в честь» греческого слова neos, что значит «новый». И еще — без этого газа наша жизнь вряд ли была бы такой яркой, как сегодня.

     В 1898 году в Старом Свете при исследовании с помощью спектроскопа первых порций газа, испаряющихся из жидкого воздуха, шотландский химик Уильям Рамзай (Рэмзи) совместно с Моррисом Уильямом Трейвером  обнаружили в них новый  газ Неон (Ne 6) — инертный газ, содержащийся в воздухе в микроскопических количествах. Это был уже третий инертный газ, открытый учёными, — после  аргона и гелия. 

Неон: история открытия

     «Не кажется ли вам, что есть место для газообразных элементов в конце первой колонны периодической системы, т.е. между галогенами и щелочными металлами?» Это слова из письма Рамзая Рэлею. Письмо было написано, когда из всех инертных газов науке были известны лишь гелий и аргон. Место гелия обозначилось в конце первого периода. Аргон заключил третий. А второй?

     В 1897 г. Рамзай выступил в Торонто с  докладом под названием «Неоткрытый  газ». В докладе он предсказал существование  простого газа с плотностью по водороду 10, атомным весом 20 и иными, промежуточными между Не и Ar константами. Двумя годами раньше, правда, не столь детально, существование  газообразного элемента с атомным  весом 20 предсказал французский химик  Лекок де Буабодран. Но где искать этот дважды предсказанный элемент?

     Вначале Рамзай и его сотрудники занялись минералами, природными водами, даже метеоритами. Результаты анализов неизменно оказывались  отрицательными. Между тем – теперь мы это знаем – новый газ  в них был. Но методами, существовавшими  в конце прошлого века, эти «микроследы» не улавливались.

     Исследователи обратились к воздуху. Воздух сжижали, а затем начинали медленно испарять, собирая и исследуя различные  фракции. Одним из методов поиска был спектральный анализ: газ помещали в разрядную трубку, подключали ток  и по линиям спектра определяли «кто есть кто».

     Когда в разрядную трубку поместили  первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха, то в спектре  наряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаружены новые  линии. Из них особенно яркими были красные и оранжевые. Они придавали  свету в трубке огненную окраску. 
 
 
 

Между аргоном и гелием — свойства неона 

     У атома неона замкнутая электронная  оболочка: на двух энергетических уровнях  находятся соответственно 2 и 8 электронов. Химическая инертность неона исключительна. В этом с ним может конкурировать  только гелий. Пока не получено ни одного его валентного соединения.

     Неон  – легкий газ: он легче воздуха  в 1,44 раза, аргона — почти в 2 раза, но тяжелее гелия в 5 раз. По комплексу  свойств он ближе к гелию, чем  к аргону, и вместе с гелием составляет подгруппу легких инертных газов.

     Неон  сжижается при температуре –245,98°C. Точка плавления неона отстоит  от точки кипения всего на 2,6°C–  рекордно малый диапазон, свидетельствующий  о слабости сил межмолекулярного взаимодействия в неоне. Благодаря  этому твердый неон получается без  особого труда: достаточно недолго  откачивать пары над жидким неоном, чтобы он отвердел.

     Растворимость в воде и способность к адсорбции  у неона малы. В 100 г воды при 20°C растворяется всего 1,75 см3, или 1,56 мг неона. Все же адсорбция неона на активированном угле при температуре жидкого  воздуха уже достаточна, чтобы  с ее помощью, многократно повторяя процесс, разделить смесь гелия  и неона. При температуре жидкого  водорода из смеси этих веществ выпадают кристаллы чистого неона, а газообразный гелий отгоняется. Технике это  дало второй – конденсационный способ разделения гелия и неона.

     Есть  у неона черта, резко выделяющая его среди других благородных  газов. Это – ярко-красный цвет излучения, причем интенсивность и  оттенки свечения неона сильно зависят  от напряжения тока, создающего электрический  разряд, и примесей других газов. 

Спектр  неона.

     Cпектр  неона богат: в нем выделено  более 900 линий. Наиболее  яркие линии составляют пучок в красной, оранжевой и желтой частях спектра. Эти лучи значительно меньше поглощаются и рассеиваются воздухом и взвешенными в нем частицами, чем лучи коротких волн – голубые, синие, фиолетовые. Оттого свет неоновых ламп виден лучше и дальше, чем свет иных источников, и словосочетание «неоновый свет реклам» стало избитым газетным штампом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.5.  Ксенон.  

     Этот  газ, названный «чужим», практически  перевернул с ног на голову представления  химиков об инертных газах. С самого начала он проявил «странные» свойства: в отличие от других инертных газов, ксенон первым вступил в химическую реакцию, первым же образовал устойчивое соединение. И заодно сделал неуместным сам термин «инертные газы». Благодаря  вновь открытому веществу ранее  созданная «нулевая» группа периодической  системы перестала существовать. 

В поисках «чужого».

     После того как были открыты гелий, неон, аргон и криптон, завершающие  четыре первых периода таблицы Менделеева, уже не вызывало сомнений, что пятый  и шестой периоды тоже должны оканчиваться инертным газом. Но найти их удалось  не сразу. Это и неудивительно: в 1 м3 воздуха 9,3 л аргона и всего  лишь 0,08 мл ксенона.

     Но  к тому времени стараниями ученых, прежде всего англичанина Траверса, появилась возможность получать значительные количества жидкого воздуха. Стал доступен даже жидкий водород. Благодаря  этому Рамзай совместно с Траверсом  смог заняться исследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха, получающейся после отгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и  аргона. Остаток содержал сырой (то есть неочищенный) криптон. Однако после  откачки его в сосуде неизменно  оставался пузырек газа. Этот газ  голубовато светился в электрическом  разряде и давал своеобразный спектр с линиями в областях от оранжевой до фиолетовой. В поисках  нового элемента и для изучения его  свойств Рамзай и Траверс переработали около ста тонн жидкого воздуха. Индивидуальность ксенона как нового химического элемента они установили, оперируя всего 0,2 см3 этого газа. Необычайная  для того времени тонкость эксперимента!