Однажды знаменитый английский химик Генри Кавендиш, изучая свойства азота, проделал интересный опыт. Он взял стеклянную трубку, изогнутую дугой, и опустил концы ее в два небольших сосуда, наполненных ртутью. В трубке был воздух. В то время — это было более 150 лет назад — ученые считали, что воздух представляет смесь только двух тазов: 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 ввел 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 пузырек воздуха. Ученый решил, что опыт не доведен до конца, и в течение двух недель днем и ночью он продолжал пропускать искры через трубку. Несмотря на все усилия ученого, пузырек воздуха упорно не исчезал.
Наблюдения и результаты опыта были аккуратно занесены в дневник, но почему небольшой пузырек в окиси азота не был поглощен раствором едкого натра — это для Кавендиша так и осталось загадкой.
Эта загадка была решена 100 лет спустя английскими учеными 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 еще третий газ, более тяжелый, чем азот?
Рэлей горячо ухватился за эту мысль. Оба ученых решили проверить ее на опыте.
Рамзай проделал следующее: он опустил раскаленный металлический магний в сосуд, где находился азот, добытый из воздуха. Раскаленный магний стал жадно поглощать азот. Когда весь азот был поглощен, в сосуде остался неизвестный газ, который не вступал в соединение с раскаленным магнием. Рамзай установил, что этот газ почти в полтора раза плотнее азота.
Рэлей, повторив опыт Кавендиша, пришел 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 произвел спектральный анализ этого газа, В спектре наряду с линиями азота имелась желтая линия, которая прежде учеными 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 4 спектрального анализа.
Рамзай заинтересовался сообщением Гиллебранда. Он достал такой же минерал и произвел спектральный анализ выделяющегося из него газа. Желтая линия спектра сразу привлекла внимание ученого. Он вспомнил, что подобная линия была в свое время найдена в спектре Солнца и вещество, которому она принадлежала, было названо гелием (от греческого слова «гелиос» — солнце).
А теперь это «солнечное» вещество Рамзай нашел 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 еще не открытых) обладает свойством вступать в определенные химические соединения с другими элементами.
В одной из первых таблиц, которую великий ученый 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 труппы 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 оы 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 ученого. 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.
Так примерно рассуждал Рамзай. И великий химик начинает искать в воздухе неизвестные элементы нулевой группы таблицы Менделеева.
Предстояла исключительно кропотливая, трудоемкая работа. Надо было обработать и исследовать десятки тысяч кубометров воздуха.
Трудно сказать, как Рамзай вышел бы из положения, если бы в это время не появилась машина для получения жидкого воздуха. Такую машину изобрел 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 раскаленный магний, который поглотил азот, а после этого — через раскаленную 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 еще одну неизвестную линию, принадлежавшую, очевидно, другому газу. Всю ночь провел 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 еще два газа. Неутомимый исследователь продолжил поиски. В течение долгих месяцев ему удалось наколоть 15 литров жидкого аргона. По тому времени это было громадное количество.
Рамзай предположил, что в смеси с аргоном могут находиться и другие, еще 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 путем невозможно. Оставалось одно: испарять жидкий аргон. Рамзай так и поступил. Его расчет был очень прост: известно, что каждое вещество имеет свою температуру кипения. Если жидкий аргон смешан с другими веществами, то испаряться они будут неодновременно. Расчет ученого блестяще оправдался. Когда Рамзай собрал первые порции испарившегося газа и произвел спектральный анализ, то наряду с линиями гелия и аргона он увидел в спектре новую линию. Она принадлежала новому, еще 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 путем 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 ученый, т. е. в нулевую группу.
Открытие Рамзая, таким образом, не подорвало, а еще 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 ученый 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 ученого 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. ведет 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 ее и охлаждает жидким воздухом. В результате эманация радия превратилась из газообразного вещества в твердое 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 неок 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.
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 накаленной нити к стенкам лампочки передается плохо, поэтому увеличиваются долговечность лампочки и ее экономичность.
Еще большее значение в технике имеет гелий. Он негорюч, и поэтому им целесообразнее наполнять оболочки аэростатов и дирижаблей, чем водородом. Гелия 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°.
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 своем отношении к химическим элементам, иг. 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.
Редкие газы перестают быть редкими, но ценность их для человека от этого только увеличивается.
Похожие статьи: