Введение, История открытия благородных газов - Благородные газы и их свойства

К благородным, или инертным, газам относятся: гелий Не, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Хе, радон Rn. Они относятся к VIII группе, главной подгруппе периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Одноатомные газы без цвета и запаха. Внешняя электронная оболочка молекул заполнена (s2p6), благодаря чему при нормальных условиях благородные газы моноатомны и химически инертны. Входят в состав земной атмосферы: наиболее распространен аргон (0,934% по объему), наименее распространен ксенон (0,86*10-5%). В небольших количествах содержатся в некоторых минералах, природных газах, в растворенном виде - в воде. Кроме этого, обнаружены также в атмосферах планет-гигантов и на Солнце (гелий).[2]

Химия благородных газов не является разнообразной в виду их инертности, но с другой стороны представляет собой очень интересной к исследованию из-за их особого строения и свойств. Изучение данных элементов и их соединений является очень актуальным, так как находится на стадии развития. Именно по этим причинам я посвятила им свою работу.

История открытия благородных газов

История открытия благородных газов драматична и могла бы послужить основой для хорошего химического детектива. А начиналась она довольно банально. Английский физик Джон Уильям Рэлей (Рис.1) не предполагал совершить никакого открытия. Опытный, педантичного склада экспериментатор, он в 1888 г. решил определить плотности и молекулярные массы различных газов с очень высокой для того времени степенью точности - до сотых долей процента. Однако азот, выделенный им из воздуха, неизменно оказывался тяжелее, чем полученный при разложении нитрата аммония. Литр азота воздуха имел массу 1,2572 г, а литр "химического" азота - 1,2505 г. Разница невелика, но она выходила за пределы экспериментальной погрешности и была постоянной. Сам Рэлей не сумел объяснить этот парадокс.

Через научный журнал "Nature" ("Природа") Рэлей в апреле 1894 г. обратился к ученным с просьбой помочь в решении проблемы. Откликнулся только один человек - заведующий кафедрой химии Лондонского университета Уильям Рамзай (Рис.2). Он высказал неожиданную идею: вероятно, в азоте, выделенном из воздуха, есть небольшая примесь какого-то другого, более тяжелого газа. Мысль была смелая, даже дерзкая - ведь до этого состав воздуха изучали сотни исследователей.

Но вот, анализируя лабораторные записи Г. Кавендиша, Рэлей и Рамзай обратили внимание на старый, забытый уже опыт, выполненный в 1785 г. Пропуская через воздух, содержащий избыток кислорода, электрические разряды, Кавендиш превращал азот в оксид NO2, который поглощал раствором щелочи. В итоге примерно сотая по объему часть воздуха не вступала в реакцию, оставаясь неизменной. Это уже был четкий ориентир. Рамзай изменил этот опыт, связав кислород с помощью меди в оксид меди (II), а азот - магнием в нитрид магния. "В остатке", как и у Кавендиша, небольшая часть исходного объема воздуха. Но "личность" нового газа так и не была установлена.

Газ вел себя парадоксально: он не вступал в реакции с хлором, металлами, кислотами, щелочами, т. е. был абсолютно химически инертен. И еще одна неожиданность: Рамзай доказал, что его молекула состоит из одного атома, а до той поры одноатомные газы были неизвестны.

12 августа 1894 г. Рэлей выступил с докладом о новом газе в Британской ассоциации содействия науке. А позже новый элемент был назван аргоном (от Греч. "аргос" - "ленивый", "безразличный").

Этому сообщению поверили далеко не все химики, усомнился в нем и сам Менделеев. Периодическая система элементов являла собой удивительно целостное строение, открытие аргона, казалось, могло привести к тому, что все ее "здание" рухнет.

Атомная масса газа (39,9) указывала ему место между калием (39,1) и кальцием (40,1). Но в этой части таблицы все клетки давно были заняты. Авторы открытия, горячие сторонники периодического закона, тоже не испытывали особого торжества. Аргон не имел в таблице аналогов, и вообще ему не находилось места в периодической системе: ну куда можно поместить элемент, лишенный химических свойств?

Ответ на этот вопрос пришел не сразу. Прежде всего вспомним об открытии, которое сделали почти одновременно, в 1868 г., два астронома - француз Пьер Жюль Сезар Жансен (Рис.3) и англичанин Джозеф Норман Локьер (Рис.4). Эти ученные с помощью недавно изобретенного прибора - спектроскопа изучили спектр солнечных протуберанцев и обнаружили в нем желтую линию, принадлежащую новому элементу. Но официальное признание он получил только лишь четверть века спустя. Это случилось только после того, как гелий (так его назвали в честь греческого бога Солнца Гелиоса) открыли на Земле.[1]

В 1895 г. Рамзай при обработке очень редкого минерала клевеита nUO3 * mUO2 * xPbO серной кислотой обнаружили газ, спектральный анализ которого показал, что это "земной" гелий. Как установили позже, гелий непрерывно образуется в минерале в результате радиоактивного распада урана.

Теперь уже двум элементам не было места в периодической системе: аргону и гелию. После длительных дискуссий Менделеев и Рамзай пришли к выводу, что инертным, т. е. лишенным химических свойств, газам надо отвести отдельную, так называемую нулевую группу между галогенами и щелочными металлами.

В надежде отыскать остальные инертные газы Рамзай вернулся к изучению воздуха. Следующий инертный газ выделили в 1898 г. "методом исключения", после того как кислород, азот и все более тяжелые компоненты воздуха были превращены в жидкость. Оставшийся газ собрали, поместили в разрядную трубку, пропустили через нее электрический ток, и трубка вспыхнула ярким красно - оранжевым светом. Элементу далее незамысловатое название "неон", что в переводе с греческого означает "новый".

В том же году Рамзай выделил из жидкого воздуха (предварительно удалив кислород, азот и аргон) смесь, в которой спектральным методом были открыты еще два газа: криптон ("скрытый", "секретный") и ксенон ("чуждый", "необычный"). Таким образом, к лету 1898 г. оказались известны пять благородных газов.

За исследования в области инертных газов Рэлей и Рамзай были удостоены Нобелевской премии.

Рамзая, открывшего пять элементов, можно сравнить с золотоискателем, которому фантастически повезло - он напал на "золотую жилу". Однако этот великий ученный вложил в ее разработку колоссальный труд и ювелирное искусство. За два года работы он получил 300мл ксенона, для чего пришлось переработать 77,5 млн литров воздуха, т. е. 100 тонн!

В 1899 г. тогда еще молодой английский физик Эрнест Резерфорд (Рис.5) обнаружил, что радиоактивный распад тория сопровождается выделением неизвестного газа. Это оказался последний представитель "благородного семейства". Впоследствии новый элемент получил название "радон", в честь своего непосредственного "ядерного предтечи" радия.

Открытие благородных газов имело огромное значение для научного сообщества. В частности, оно помогло в проведении спектральных исследований. Оранжевая линия спектра стабильного изотопа криптона-86 принята в качестве международного эталона длины волны света. Однако самое большое значение открытие этих элементов имело для развития понятия валентности и учения о межмолекулярных силах. В этом направлении работали ученые Коссель и Льюис, которые выдвинули гипотезу о том, что электронная оболочка из 8 электронов наиболее устойчива и различные атомы стремятся приобрести ее путем присоединения или отщепления электронов.

До 1962 года считалось, что инертные газы не вступают ни в какие реакции. В 1962 году канадский ученый Н. Бартлетт (Рис.6) смог получить соединение ксенона и гексафторида платины XePtF6. Бартлетт впервые получил соединение, в которое была вовлечена восьмиэлектронная оболочка ксенона. Таким образом был разрушен миф об абсолютной инертности благородно-газовой оболочки. После этого название "инертные газы" уже не соответствовало действительности, поэтому по аналогии с малоактивными благородными металлами эту группу химических элементов назвали благородными газами. Поскольку были получены химические соединения, в которых максимальная валентность благородных газов равна 8, вместо нулевой группы их стали считать главной подгруппой VIII группы Периодической системы. [1]

Похожие статьи




Введение, История открытия благородных газов - Благородные газы и их свойства

Предыдущая | Следующая