Elementární aristokracie

Každý řádek periodické tabulky končí na konci. Před něco málo přes sto lety se jejich existence ani nepředpokládala. Tehdy ohromily svět svými chemickými vlastnostmi, nebo spíše absencí. Ještě později se ukázalo, že jsou logickým důsledkem přírodních zákonů. vzácné plyny.

Postupem času „šly do akce“ a ve druhé polovině minulého století se s nimi začaly spojovat méně ušlechtilé prvky. Začněme příběh základní vysoké společnosti takto:

Před dávnými časy…

… Byl tam pán.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) ve staré skice.

Henry Cavendish patřil k nejvyšší britské aristokracii, ale zajímal se o poznávání tajů přírody. V roce 1766 objevil vodík a o devatenáct let později provedl experiment, ve kterém se mu podařilo najít další prvek. Chtěl zjistit, zda vzduch obsahuje kromě již známého kyslíku a dusíku další složky. Naplnil ohnutou skleněnou trubici vzduchem, její konce ponořil do rtuťových nádob a mezi nimi procházel elektrickými výboji. Jiskry způsobily spojení dusíku s kyslíkem a vzniklé kyselé sloučeniny byly absorbovány alkalickým roztokem. V nepřítomnosti kyslíku jej Cavendish naplnil do zkumavky a pokračoval v experimentu, dokud nebyl odstraněn veškerý dusík. Experiment trval několik týdnů, během kterých se objem plynu v potrubí neustále zmenšoval. Jakmile byl dusík vyčerpán, Cavendish odstranil kyslík a zjistil, že bublina stále existuje, což odhadl ¹/₁₂₀ počáteční objem vzduchu. Pán se neptal na povahu zbytků, protože účinek považoval za chybu zkušenosti. Dnes víme, že byl velmi blízko otevření argon, ale dokončení experimentu trvalo více než století.

sluneční záhada

Zatmění Slunce vždy přitahovalo pozornost jak obyčejných lidí, tak vědců. 18. srpna 1868 astronomové pozorující tento jev poprvé použili spektroskop (navržený před méně než deseti lety) ke studiu slunečních protuberancí, jasně viditelných se ztmaveným diskem. francouzština Pierre Janssen tímto způsobem dokázal, že sluneční koróna se skládá převážně z vodíku a dalších prvků Země. Ale další den, když znovu pozoroval Slunce, všiml si dříve nepopsané spektrální čáry umístěné poblíž charakteristické žluté čáry sodíku. Janssen to nedokázal připsat žádnému tehdy známému prvku. Stejné pozorování provedl anglický astronom Norman Locker. Vědci předložili různé hypotézy o záhadné složce naší hvězdy. Lockyer ho pojmenoval vysokoenergetický laser, jménem řeckého boha slunce - Hélia. Většina vědců však věřila, že žlutá čára, kterou viděli, byla součástí vodíkového spektra při extrémně vysokých teplotách hvězdy. V roce 1881 italský fyzik a meteorolog Luigi Palmieri studoval sopečné plyny Vesuvu pomocí spektroskopu. V jejich spektru našel žlutý pás připisovaný heliu. Palmieri však výsledky svých experimentů popsal vágně a další vědci je nepotvrdili. Nyní víme, že helium se nachází ve vulkanických plynech a Itálie mohla být skutečně první, kdo pozoroval spektrum pozemského helia.

Ilustrace z roku 1901 zobrazující přístroj pro Cavendishův experiment

Otevírání na třetím desetinném místě

Na začátku posledního desetiletí XNUMX století anglický fyzik Lord Rayleigh (John William Strutt) se rozhodl přesně určit hustoty různých plynů, což také umožnilo přesně určit atomové hmotnosti jejich prvků. Rayleigh byl pilný experimentátor, takže získával plyny z nejrůznějších zdrojů, aby odhalil nečistoty, které by zkreslovaly výsledky. Podařilo se mu snížit chybu v odhodlání na setiny procenta, což bylo v té době velmi malé. Analyzované plyny vykazovaly shodu se stanovenou hustotou v rámci chyby měření. To nikoho nepřekvapilo, protože složení chemických sloučenin nezávisí na jejich původu. Výjimkou byl dusík – jen ten měl jinou hustotu podle způsobu výroby. Dusík atmosférický (získaný ze vzduchu po oddělení kyslíku, vodní páry a oxidu uhličitého) byl vždy těžší než chemické (získává se rozkladem jejích sloučenin). Rozdíl byl kupodivu konstantní a činil asi 0,1 %. Rayleigh, neschopný vysvětlit tento jev, se obrátil na jiné vědce.

Pomoc nabízená chemikem William Ramsay. Oba vědci došli k závěru, že jediným vysvětlením je přítomnost příměsi těžšího plynu v dusíku získaném ze vzduchu. Když narazili na popis Cavendishova experimentu, cítili, že jsou na správné cestě. Pokus zopakovali, tentokrát s využitím moderního vybavení, a brzy měli u sebe vzorek neznámého plynu. Spektroskopická analýza ukázala, že existuje odděleně od známých látek a další studie ukázaly, že existuje jako samostatné atomy. Dosud takové plyny nebyly známy (máme O₂, N₂H₂), takže to také znamenalo otevření nového prvku. Rayleigh a Ramsay se ho pokusili přimět argon (řec. = líný) reagovat s jinými látkami, ale bezvýsledně. Aby určili teplotu jeho kondenzace, obrátili se na jediného člověka na světě v té době, který měl příslušný aparát. to bylo Karol Olszewski, profesor chemie na Jagellonské univerzitě. Olshevsky zkapalnil a ztuhnul argon a také určil jeho další fyzikální parametry.

Zpráva Rayleigha a Ramsayho v srpnu 1894 vyvolala velký ohlas. Vědci nemohli uvěřit, že generace výzkumníků zanedbávaly 1% složku vzduchu, která je na Zemi přítomna v mnohem větším množství než například stříbro. Testy ostatních potvrdily existenci argonu. Objev byl právem považován za velký úspěch a triumf pečlivého experimentu (říkalo se, že nový prvek byl ukryt na třetím desetinném místě). Nikdo však nečekal, že dojde k...

… Celá rodina plynů.

Skupina helia (atomové číslo nahoře, atomová hmotnost dole).

Ještě předtím, než byla atmosféra důkladně analyzována, se o rok později Ramsay začal zajímat o článek v geologickém časopise, který informoval o uvolňování plynu z uranových rud při vystavení kyselině. Ramsay to zkusil znovu, prozkoumal výsledný plyn spektroskopem a uviděl neznámé spektrální čáry. Konzultace s William Crooks, specialista na spektroskopii, vedl k závěru, že je na Zemi dlouho hledán vysokoenergetický laser. Nyní víme, že se jedná o jeden z produktů rozpadu uranu a thoria, obsažených v rudách přírodních radioaktivních prvků. Ramsay znovu požádal Olszewského, aby nový plyn zkapalnil. Zařízení však tentokrát nebylo schopno dosáhnout dostatečně nízkých teplot a kapalné helium bylo získáno až v roce 1908.

Helium se také ukázalo jako monoatomický plyn a neaktivní, jako argon. Vlastnosti obou prvků nezapadaly do žádné rodiny periodické tabulky a bylo rozhodnuto vytvořit pro ně samostatnou skupinu. [helowce_uklad] Ramsay došel k závěru, že v něm jsou mezery a společně se svým kolegou Morrisem Traversem zahájil další výzkum. Destilací kapalného vzduchu objevili chemici v roce 1898 další tři plyny: neon (gr. = nový), krypton (řec. = skryty)i xenon (řec. = cizí). Všechny jsou spolu s heliem přítomny ve vzduchu v minimálním množství, mnohem menším než argon. Chemická pasivita nových prvků přiměla výzkumníky, aby jim dali společný název. vzácné plyny. 

Po neúspěšných pokusech o oddělení ze vzduchu bylo objeveno další helium jako produkt radioaktivních přeměn. V roce 1900 Frederick Dorn Oraz André-Louis Debirn všimli si uvolňování plynu (emanace, jak tehdy říkali) z radia, kterému říkali radon. Brzy bylo zjištěno, že emanace také emitují thorium a aktinium (thoron a aktinon). Ramsay a Frederick Soddy dokázali, že jsou jedním prvkem a dalším vzácným plynem, který pojmenovali naton (lat. = svítit, protože vzorky plynu ve tmě zářily). V roce 1923 se nithon konečně stal radonem, pojmenovaným podle izotopu s nejdelší životností.

Poslední z héliových instalací, které doplňují skutečnou periodickou tabulku, bylo získáno v roce 2006 v ruské jaderné laboratoři v Dubně. Název, schválený až o deset let později, Oganessona, na počest ruského jaderného fyzika Jurij Oganesjan. O novém prvku je známo pouze to, že je dosud nejtěžším známým a že bylo získáno pouze několik jader, která žila méně než milisekundu.

Chemické misaliance

Víra v chemickou pasivitu helia se zhroutila v roce 1962, kdy Neil Bartlett získal sloučeninu vzorce Xe [PtF₆]. Chemie sloučenin xenonu je dnes poměrně rozsáhlá: jsou známy fluoridy, oxidy a dokonce i kyselé soli tohoto prvku. Kromě toho jsou za normálních podmínek trvalé sloučeniny. Krypton je lehčí než xenon, tvoří několik fluoridů, stejně jako těžší radon (radioaktivita druhého z nich značně ztěžuje výzkum). Na druhou stranu tři nejlehčí - helium, neon a argon - nemají trvalé sloučeniny.

Chemické sloučeniny vzácných plynů s méně ušlechtilými partnery lze přirovnat ke starým misaliancem. Dnes tento koncept již neplatí a nelze se divit, že ...

Vrtulníky, zleva doprava: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) a Morris Travers (1872–1961); portrét ze sbírky University College London.

…aristokraté pracují.

Helium se získává separací zkapalněného vzduchu v dusíkových a kyslíkových zařízeních. Na druhou stranu zdrojem helia je především zemní plyn, ve kterém je ho do pár procent objemu (v Evropě největší výrobna helia funguje v r. Překonáno, ve Velkopolském vojvodství). Jejich prvním zaměstnáním bylo svítit ve svítících trubicích. Neonová reklama je v dnešní době stále oku lahodící, ale héliové materiály jsou základem i některých typů laserů, například argonového laseru, se kterým se setkáme u zubaře nebo kosmetičky.

Umělecké ztvárnění Xenon Ion Probe Dawn poblíž asteroidu Ceres.

Chemická pasivita héliových instalací se využívá k vytvoření atmosféry, která chrání před oxidací, například při svařování kovů nebo hermetických obalů potravin. Výbojky plněné heliem pracují při vyšší teplotě (to znamená, že svítí jasněji) a využívají elektřinu efektivněji. Obvykle se používá argon ve směsi s dusíkem, ale krypton a xenon poskytují ještě lepší výsledky. Nejnovější použití xenonu je jako pohonný materiál v iontovém raketovém pohonu, který je účinnější než chemický pohon. Nejlehčí helium je naplněno meteorologickými balónky a balónky pro děti. Ve směsi s kyslíkem je helium využíváno potápěči k práci ve velkých hloubkách, což pomáhá předcházet dekompresní nemoci. Nejdůležitější aplikací helia je dosažení nízkých teplot potřebných pro fungování supravodičů.

Směs kyslíku a hélia zajišťuje bezpečné potápění.