Однажды знаменитый английский химик Генри Кавендиш, изучая свойства азота, проделал интересный опыт. Он взял стеклянную трубку, изогнутую дугой, и опустил концы её в два небольших сосуда, наполненных ртутью. В трубке был воздух. В то время — это было более 150 лет назад — учёные считали, что воздух представляет смесь только двух газов: азота и кислорода. Кавендиш стал пропускать через воздух, находившийся в трубке, электрический ток. Под влиянием электричества азот начал химически соединяться с кислородом, образуя красноватый газ — окись азота. Тогда Кавендиш ввёл в трубку немного раствора едкого натра. Этот раствор поглотил окись азота, и в трубке образовалось свободное пространство, которое немедленно заполнилось ртутью.
Кавендиш продолжил опыт, и ему удалось почти всю трубку заполнить ртутью. Оставался только небольшой пузырёк воздуха. Учёный решил, что опыт не доведён до конца, и в течение двух недель днём и ночью он продолжал пропускать искры через трубку. Несмотря на все усилия учёного, пузырёк воздуха упорно не исчезал. Кавендиш вычислил, что этот пузырёк составляет 1/120 часть первоначального объёма воздуха в трубке.
Наблюдения и результаты опыта были аккуратно занесены в дневник, но почему небольшой пузырёк в окиси азота не был поглощён раствором едкого натра — это для Кавендиша так и осталось загадкой.
Эта загадка была решена 100 лет спустя английскими учёными Рэлеем и Рамзаем.
Физик Рэлей много занимался исследованием плотностей газов. Изучая азот, выделенный из воздуха, и азот, полученный из разных химических соединений, он обнаружил странное явление: плотность азота воздуха была на 0,5 процента больше плотности азота, полученного из его химических соединений. Рэлей работал очень точно и ничем не мог объяснить этот факт.
Как-то Рэлея посетил его приятель — профессор химии Рамзай. Друзья разговорились на волнующую тему — о плотности азота. Рамзай показал записную книжку Кавендиша и высказал смелое предположение:
— А может быть, в воздухе, кроме азота и кислорода, есть ещё третий газ, более тяжёлый, чем азот?
Рэлей горячо ухватился за эту мысль. Оба учёных решили проверить её на опыте.
Рамзай проделал следующее: он опустил раскалённый металлический магний в сосуд, где находился азот, добытый из воздуха. Раскалённый магний стал жадно поглощать азот. Когда весь азот был поглощён, в сосуде остался неизвестный газ, который не вступал в соединение с раскалённым магнием. Рамзай установил, что этот газ почти в полтора раза плотнее азота.
Рэлей, повторив опыт Кавендиша, пришёл к тем же выводам. Догадка Рамзая блестяще подтвердилась.
Так как вновь открытый газ не вступал в химические соединения с другими веществами, то Рамзай дал ему название «аргон» (по-гречески — недеятельный).
Открытие Рамзая было встречено химиками с большим недоверием. Казалось удивительным, что до сих пор, несмотря на тысячи опытов с воздухом, никто из химиков не мог обнаружить аргон. Удивляло и то, что не было никаких химических соединений, в которых имелся бы вновь открытый газ. Это смущало и самого Рамзая.
Как раз в эти годы американский химик Гиллебранд обнаружил, что из минерала, содержащего уран, выделяется азот. Гиллебранд произвёл спектральный анализ этого газа. В спектре наряду с линиями азота имелась жёлтая линия, которая прежде учёными не наблюдалась. Не было сомнений, что она принадлежала какому-то неизвестному газу. Однако, опасаясь насмешек со стороны коллег, Гиллебранд опубликовал только самый факт выделения азота, умолчав о результатах спектрального анализа.
Рамзай заинтересовался сообщением Гиллебранда. Он достал такой же минерал и произвёл спектральный анализ выделяющегося из него газа. Жёлтая линия спектра сразу привлекла внимание учёного. Он вспомнил, что подобная линия была в своё время найдена в спектре Солнца и вещество, которому она принадлежала, было названо гелием (от греческого слова «гелиос» — солнце).
А теперь это «солнечное» вещество Рамзай нашёл на Земле. Открытие было столь необычайное, что Рамзай не поверил самому себе. Он послал вновь открытый газ для анализа известному физику Круксу. Вскоре от Крукса пришло сообщение, подтверждающее, что действительно Рамзай обнаружил на Земле гелий. Длительными исследованиями было установлено, что этот газ, как и аргон, обладает исключительной инертностью, т. е. не вступает в химические соединения с другими элементами.
*
В конце XIX столетия, когда происходили все эти события, всеобщее признание получил периодический закон химических элементов, открытый великим русским химиком Д. И. Менделеевым. Согласно периодической системе, каждый из элементов (известных или ещё не открытых) обладает свойством вступать в определенные химические соединения с другими элементами.
В одной из первых таблиц, которую великий учёный изложил на заседании Русского химического общества 3 декабря 1870 г., все элементы, в зависимости от их валентности, были разделены на восемь групп. Вспомним, что валентностью элемента называется свойство его соединяться с определенным числом атомов другого элемента. Обычно валентность считается по водороду. В первой группе Менделеев поставил одновалентные элементы. Элементы второй группы соединяются с двумя атомами водорода; они двухвалентны.
Свойства уже известных и вновь открываемых элементов целиком подтверждали периодический закон. Но вот было обнаружено существование аргона и гелия, этих «нарушителей» таблицы Менделеева. Они не вступали в химическое соединение с другими элементами и как бы противоречили таблице Менделеева.
Это противоречие Рамзай разрешил самым неожиданным образом. В 1897 г., на съезде Британской ассоциации естествоиспытателей в Торонто (Канада), он утверждает, что и для инертных газов есть место в таблице Менделеева. Это место — перед первой графой таблицы, т. е. инертные газы, поскольку они ни с чем не соединяются, обладают нулевой валентностью. И этих газов, согласно периодической системе, должно быть пять. Два из них — аргон и гелий — уже найдены.
Так появилась в периодической системе Менделеева новая графа химически недеятельных элементов.
Рамзай на этом, однако, не успокоился. Высказав мысль о существовании пяти недеятельных элементов, он принялся за поиски трех недостающих, с тем чтобы на опыте доказать правильность своей идеи.
Тщательному анализу подвергаются сотни различных минералов, метеориты, вулканическая магма, воды минеральных источников... Но все напрасно.
Бесплодные попытки не обескуражили учёного. Уверенность в справедливости периодической системы Менделеева вдохновляла неутомимого исследователя к дальнейшей работе, в которой теория и практика тесно переплетались.
Раз элементы химически недеятельны, раз они ни с чем не соединяются, то, по всей вероятности, они находятся в газообразном состоянии, т. е. в окружающем нас воздухе. Но их до сих пор там не находили. Почему же? Вероятно, потому, что инертных газов очень мало.
 |
| Представим, что перед нами каждую секунду проходит по одной молекуле воздуха. Если бы они были видимы, то среди громадного количества молекул азота и кислорода, проходящих перед нами, мы заметили бы молекулу аргона только один раз в 2 минуты. Молекула криптона прошла бы перед нами один раз за 8 месяцев. А для того, чтобы увидеть молекулу ксенона, пришлось бы ждать 6 лет. Это показывает, как мало редких газов содержится в воздухе. |
Так примерно рассуждал Рамзай. И великий химик начинает искать в воздухе неизвестные элементы нулевой группы таблицы Менделеева.
Предстояла исключительно кропотливая, трудоёмкая работа. Надо было обработать и исследовать десятки тысяч кубометров воздуха. Надо было из этих огромных воздушных масс выделить содержащиеся в них ничтожные количества инертных газов. И только после этого вставала огромной трудности задача: отделить друг от друга эти газы.
Трудно сказать, как Рамзай вышел бы из положения, если бы в это время не появилась машина для получения жидкого воздуха. Такую машину изобрёл один из друзей Рамзая, механик Гампсон. Это открывало богатые возможности. Ведь в небольшой колбе, наполненной жидким воздухом, сгущены сотни кубометров воздушной массы.
Гампсон, получив первые порции жидкого воздуха, предоставил их в распоряжение своего друга. Рамзай немедленно принялся за дело. Он испарил жидкий воздух в большой закрытый сосуд. Затем он прогнал этот воздух через раскалённый магний, который поглотил азот, а после этого — через раскалённую медь: она поглотила кислород. Можно было ожидать, что в сосуде останется аргон. Произведя спектральный анализ, Рамзай, однако, увидел в спектре не только линию аргона, но и ещё одну неизвестную линию, принадлежавшую, очевидно, другому газу. Всю ночь провёл Рамзай в лаборатории, пока не отделил новый газ от аргона и не определил его свойства. Очень уж долго скрывался этот газ от исследователя, и Рамзай назвал его криптоном (по-гречески — скрытый).
Оставались в неизвестности ещё два газа. Неутомимый исследователь продолжил поиски. В течение долгих месяцев ему удалось накопить 15 литров жидкого аргона. По тому времени это было громадное количество.
Рамзай предположил, что в смеси с аргоном могут находиться и другие, ещё не открытые газы. Но если это так, то как отделить один от другого? Инертные газы с другими элементами химически не соединяются, и поэтому произвести такое разделение химическим путём невозможно. Оставалось одно: испарять жидкий аргон. Рамзай так и поступил. Его расчёт был очень прост: известно, что каждое вещество имеет свою температуру кипения. Если жидкий аргон смешан с другими веществами, то испаряться они будут неодновременно. Расчёт учёного блестяще оправдался. Когда Рамзай собрал первые порции испарившегося газа и произвёл спектральный анализ, то наряду с линиями гелия и аргона он увидел в спектре новую линию. Она принадлежала новому, ещё неизвестному газу, которому Рамзай дал название неон (по-гречески — новый).
Вскоре был найден и последний из предсказанных Рамзаем газов — ксенон. Произошло это так: разделяя аргон и криптон путём испарения, Рамзай заметил на дне сосуда после испарения обоих газов несколько маленьких пузырьков. Это и был пятый элемент нулевой группы таблицы Менделеева.
Он был найден в смеси двух инертных газов как посторонний. Отсюда и его название — ксенон (по-гречески — посторонний).
Ксенон оказался наиболее редким из инертных газов. Рамзаю пришлось переработать 75 млн. литров воздуха, чтобы получить лишь 0,3 литра ксенона.
Так были найдены новые химические элементы, и Д. И. Менделеев, которому Рамзай сообщил результаты своих исследований, поместил эти элементы в таблице именно в том месте, какое указывал английский учёный, т. е. в нулевую группу.
Открытие Рамзая, таким образом, не подорвало, а ещё более укрепило периодический закон Менделеева как один из важнейших законов природы.
*
На этом, однако, история редких газов не кончается. По существу, она только начинается.
В 1896 г. весь учёный мир был взволнован интересным открытием, которое сделал французский физик Беккерель. Он обнаружил, что некоторые минералы, содержащие уран, испускают невидимые лучи, свободно проходящие через черную плотную бумагу. Спустя три года супруги Кюри открыли новый химический элемент — радий. Этот элемент давал излучение, в миллион раз более сильное, чем то, которое обнаружил Беккерель. Открытие радиоактивных веществ привлекло большое внимание учёного мира. Английский физик Резерфорд, изучая новые, радиоактивные вещества, обнаружил на поверхности радия пузырьки какого-то газа. Этот газ, как и радий, испускал невидимые лучи. Дальнейшие исследования показали, что он не соединяется с другими химическими элементами, т. е. ведёт себя, как инертный газ. Резерфорд назвал его эманацией радия.
Рамзай заинтересовался новым инертным веществом. Вместе с химиком Содди он предпринимает ряд исследований нового газа и однажды проделывает следующий опыт: наполняет стеклянную трубочку эманацией радия, запаивает её и охлаждает жидким воздухом. В результате эманация радия превратилась из газообразного вещества в твёрдое тело. Спектральный анализ показал, что в трубке находится только эманация радия и ничего больше. Спустя четыре дня Рамзай стал исследовать содержимое трубки. Каково же было его изумление, когда он обнаружил в трубке присутствие гелия! При этом количество эманации радия заметно уменьшилось. Не могло быть сомнений, что элемент гелий получился из другого элемента — эманации радия.
С этого момента возникает новая увлекательная наука о превращении элементов. Эта наука к настоящему времени добилась замечательных успехов. Сейчас уже известны такие естественные и искусственные превращения, как, например, урана в радий, радия в свинец, лития в гелий, азота в кислород и т. д.
Так открытие редких газов, которому в значительной мере способствовала периодическая система Менделеева, необычайно обогатило науку и раскрыло перед ней новые заманчивые горизонты.
*
Инертные газы находят широкое применение в технике. Если пропускать через трубку, наполненную неоном, электрический ток, то неон будет светиться ярким красновато-оранжевым цветом. Свет неоновых трубок виден очень далеко. В туманные ночи, ненастную погоду неоновые маяки указывают путь пароходам и воздушным кораблям. Широко применяются неоновые трубки для световых вывесок магазинов и рекламы.
 |
| Свет неоновых трубок виден очень далеко. В туманные ночи, в ненастную погоду неоновые маяки указывают путь пароходам и воздушным кораблям. |
Если пропускать электрический ток через трубки, наполненные аргоном, то они излучают приятный синий свет.
Велико значение аргона и особенно криптона и ксенона в электротехнике. Эти инертные газы обладают плохой теплопроводностью, и они служат для заполнения колб электрических лампочек. Тепло от накалённой нити к стенкам лампочки передаётся плохо, поэтому увеличиваются долговечность лампочки и её экономичность.
Ещё большее значение в технике имеет гелий. Он не горюч, и поэтому им целесообразнее наполнять оболочки аэростатов и дирижаблей, чем водородом. Гелий необходим водолазам: применение смеси водорода и гелия для дыхания облегчает работу водолаза, позволяя ему опускаться на большие глубины. Применяется гелий и в химической промышленности при сушке взрывчатых веществ: его присутствие в воздухе сушилки устраняет возможность взрыва. Наконец, при помощи гелия достигнута и самая низкая температура на Земле — минус 272,9°.
 |
| Гелий — наилучший газ для наполнения корпуса дирижабля. Он не горит и легче других газов, содержащихся в атмосфере. |
 |
| Гелий необходим водолазам. Применение смеси кислорода и гелия для дыхания облегчает работу водолазов и позволяет им проникать в еще не изведанные глубины океанов и морей. |
Большое значение в медицине приобретает эманация радия. Лучи, испускаемые этим редким газом, служат ценным средством при лечении некоторых болезней.
*
Большая практическая ценность редких газов необычайно повысила потребность в них. Те небольшие количества, которые с таким трудом добывал Рамзай, конечно, не могли удовлетворить растущих нужд. Нужно было организовать получение редких газов в массовых масштабах. Но как это сделать?
Окружающий нас воздушный океан состоит из бесчисленного множества различных молекул. И в этом океане меньше всего содержится молекул инертных газов. Задача состояла в том, чтобы найти способ собирать в больших количествах молекулы этих редких газов, а затем — уметь их разделить.
Эта исключительно трудная задача была решена с помощью техники искусственного холода, которая позволяет огромные количества воздуха перевести в жидкое состояние. И холод же помогает разделить инертные газы, находящиеся в общей смеси.
Если эти газы одинаковы в своём отношении к химическим элементам, т. е. ни с чем химически не соединяются, то к холоду они относятся по-разному. Они переходят в жидкое состояние, начинают кипеть и испаряться при разных температурах. Этот принцип и положен в основу техники получения редких газов. Весь процесс протекает в так называемых ректификационных колонках, которые представляют необычайно сложную аппаратуру. В них производится сжижение воздуха, затем испарение его при разных температурах. Каждый испаряющийся газ поступает в особый сосуд. Тысячи и десятки тысяч кубических метров редких газов получаются в ректификационных колонках.
 |
| Инертные газы сжимаются при разных температурах. В то время как, например, ксенон при температуре минус 109,2° превращается в жидкость, остальные газы, содержащиеся в воздухе, продолжают оставаться в газообразном состоянии. Постепенно охлаждая и испаряя смесь инертных газов, можно добиться их полного разделения на составные части. На диаграмме показана температура кипения инертных газов. |
Редкие газы перестают быть редкими, но ценность их для человека от этого только увеличивается.
Комментариев нет:
Отправить комментарий