Загальні відомості про відкриття благородних газів
До благородним газів відносяться гелій, неон, аргон, криптон, ксенон ірадон. За своїми властивостями вони не схожі ні на які інші елементи і вперіодичної системи розташовуються між типовими металами інеметалами.
Історія відкриття інертних газів представляє великий інтерес: по -перше, як тріумф введених Ломоносовим кількісних методівхімії (відкриття аргону), а по-друге, як тріумф теоретичного передбачення
(відкриття інших інертних газів), що спирається на величезне узагальненняхімії - періодичний закон Менделєєва.
Відкриття фізиком Релея і хіміком Рамзаєм першого благородного газу --аргону - відбулося в той час, коли побудову періодичної системиздавалося завершеним і в ній залишалося лише кілька порожніх клітин.
Ще 1785 англійський хімік і фізик Г. Кавендіш виявив у повітріякийсь новий газ, надзвичайно стійкий хімічно. На частку цього газуприпадала приблизно одна сто двадцята частина об'єму повітря. Але що це загаз, Кавендішу з'ясувати не вдалося.
Про це досвіді згадали 107 років по тому, коли Джон Вільям Стратт (лорд
Релей) натрапив на ту ж домішка, зауваживши, що азот повітря важче, ніжазот, виділений із з'єднань. Не знайшовши достовірного пояснення аномалії,
Релей через журнал «Nature» звернувся до колег-натураліста зпропозицією разом подумати і попрацювати над розгадкою її причин ...
Через два роки Релей і У. Рамзай встановили, що в азоті повітрядійсно є домішка невідомого газу, більш важкого, ніж азот, івкрай інертного хімічно. "Повітря за допомогою розпеченої міді був позбавленийсвого кисню і потім нагрітий зі шматочками магнію в трубочці. Після тогощо значна кількість азоту була поглинена магнієм, була визначенащільність залишку. Щільність виявилася в 15 разів більше щільності водню,тоді як щільність азоту тільки в 14 разів більше її. Ця щільністьзростала ще в міру подальшого поглинання азоту, поки не досягла 18.
Цим було доведено, що повітря містить газ, щільність якого більшещільності азоту ... Я отримав 100 см3 цієї речовини і знайшов його щільністьрівний 19,9. Воно виявилося одноатомних газом. "Коли вони виступили зпублічним повідомленням про своє відкриття, це справило приголомшливевраження. Багатьом здавалося неймовірним, щоб кілька поколінь вчених,виконали тисячі аналізів повітря, прогледіли його складову частину, та щетаку помітну - майже відсоток! До речі, саме в цей день і годину, 13Серпень 1894, аргон і отримав своє ім'я, яке в перекладі згрецького означає «недіяльному».
Гелій вперше був ідентифікований як хімічний елемент у 1868
П. Жансеном при вивченні сонячного затемнення в Індії. При спектральномуаналізі сонячної хромосфери була виявлена яскраво-жовта лінія,спочатку віднесена до спектру натрію, проте в 1871 Дж.Локьер і
П. Жансен довели, що ця лінія не належить ні до одного з відомих наземлі елементів. Лок'єра і Е. Франкленд назвали новий елемент гелієм від грец.
«Геліос», що означає сонце. У той час не знали, що гелій - інертнийгаз, і припускали, що це метал. І тільки через майже чверть століттягелій був виявлений на землі. У 1895, через кілька місяців післявідкриття аргону, У. Рамзай і майже одночасно шведські хіміки П. Клеве і
Н. Ленглі встановили, що гелій виділяється при нагріванні мінералу клевеіта.
Рік по тому Г. Кейзер виявив домішка гелію в атмосфері, а в 1906 гелій буввиявлений у складі природного газу нафтових свердловин Канзасу. У тому ж році
Е. Резерфорд та Т. Ройдс встановили, що?-Частинки, що випускаються радіоактивнимиелементами, є ядрами гелію.
Після цього відкриття Рамзай прийшов до висновку, що існує цілагрупа хімічних елементів, яка розташовується в періодичній системіміж лужними металами і галогенами. Користуючись періодичним законом іметодом Менделєєва, було визначено кількість невідомих благороднихгазів і їх властивості, зокрема їх атомні маси. Це дозволилоздійснити і цілеспрямовані пошуки благородних газів.
Спочатку Рамзай і його співробітники зайнялися мінералами, природними водами,навіть метеоритами. Результати аналізів незмінно виявлялися негативними.
Тим часом-тепер ми це знаємо-новий газ в них був. Але методами,що існували в кінці минулого століття, ці «мікрослідів» не уловлювалися.
Потім дослідники звернулися до повітря.
Всього за чотири наступних роки було відкрито чотири нові елементи,при цьому неон, криптон і ксенон були виділені з повітря.
Повітря, очищений заздалегідь від вуглекислоти і вологи, зріджується, апотім починали повільно випаровувати. Спочатку «летять» більш легкі гази. Післявипаровування основної маси повітря розсортовують залишилися важкіінертні гази. Потім, отримані фракції досліджували. Одним з методівпошуку був спектральний аналіз: газ поміщали в розрядну трубку, підключалиструм і по лініях спектра визначали «хто є хто».
Коли в розрядну трубку помістили перший, найлегшу і низькокиплячіфракцію повітря, то в спектрі поряд з відомими лініями азоту, гелію іаргону були виявлені нові лінії, з них особливо яскравими були червоні іпомаранчеві. Вони надавали світла в трубці вогненну забарвлення. У момент, коли
Рамзай спостерігав спектр щойно отриманого газу, в лабораторію зайшов йогодванадцятирічний син, який встиг стати «вболівальником» батькових робіт. Побачившинезвичайне свічення, він вигукнув: «new one!» Так виникла назва газу
«Неон», по-древньогрецькою означає «новий».
Після того як були відкриті гелій, неон і аргон, завершальні три першіперіоду таблиці Менделєєва, вже не викликало сумнівів, що четвертий, п'ятийі шостий періоди теж повинні закінчуватися інертним газом. Але знайти їхвдалося не відразу. Це й не дивно: в 1 м3 повітря 9, 3 л аргону і всьоголише 0, 08 мл ксенону. Але до того часу стараннями вчених, перш за всеанглійця Траверса, з'явилася можливість отримувати значнікількості рідкого повітря. Став доступний навіть рідкий водень. Завдякицього Рамзай спільно з траверсом зміг зайнятися дослідженням найбільштруднолетучей фракції повітря, що виходить після отгонкой гелію, водню,неону, кисню, азоту та аргону. Залишок містив сирої (тобтонеочищений) криптон ( "схований"). Однак після відкачування його в посудинінезмінно залишався бульбашка газу. Цей газ блакитно світився велектричному розряді і давав своєрідний спектр з лініями в областях відпомаранчевої до фіолетової. Характерні спектральні лінії - візитна карткаелементу. У Рамзая і Траверса були всі підстави вважати, що відкрито новийінертний газ. Його назвали Ксеноном, що в перекладі з грецького означає
«Чужий»: в Криптонові фракції повітря він справді виглядав чужинцем. Упошуках нового елемента і для вивчення його властивостей Рамзай і Траверспереробили близько ста тонн рідкого повітря; індивідуальність ксенону якнового хімічного елемента вони встановили, оперуючи всього 0,2 см3 цьогогазу. Надзвичайна для того часу тонкість експерименту! Хоча змістксенону в атмосфері дуже мало, саме повітря - практично єдиний іневичерпне джерело ксенону. Невичерпний - тому, що майже веськсенон повертається в атмосферу.
Заслуга відкриття вищого представника інертних газів належить томуж Рамзан. За допомогою дуже тонких технічних прийомів він довів, щорадіоактивне закінчення з радію - еманація радію - є газ,підпорядковується всім законам звичайних газів, хімічно інертний і що володієхарактерним спектром. Його молекулярна вага - близько 220 - був Рамзаємвиміряно по швидкості дифузії. Якщо припустити, що ядро атома еманаціїрадію - це залишок ядра радію після викидання з нього ядра атома гелію
- (-Частки, то заряд його повинен бути рівний 88-2 = 86, тобто новий елементповинен дійсно бути інертним газом з атомною вагою 226-4 = 222.
Таким чином, після блискучих експериментів 16 березня 1900 у Лондонівідбулася зустріч Менделєєва і Рамзая, на якій було офіційно вирішеновключити в періодичну систему нову групу хімічних елементів.
Аргон
| Аргон | Ar | 18 | 39,948 |
Історія відкриття Аргона
У 1785 р. англійський хімік і фізик Г. Кавендіш виявив у повітрі якийсь новий газ, надзвичайно стійкий хімічно. На частку цього газу припадала приблизно одна сто двадцята частина об'єму повітря. Але що це за газ, Кавендішу з'ясувати не вдалося.
Про це досвіді згадали 107 років по тому, коли Джон Вільям Стратт (лорд
Релей) натрапив на ту ж домішка, зауваживши, що азот повітря важче, ніж азот, виділений із з'єднань. Не знайшовши достовірного пояснення аномалії,
Релей через журнал «Nature» звернувся до колег-натураліста з пропозицією разом подумати і попрацювати над розгадкою її причин ...
Через два роки Релей і У. Рамзай встановили, що в азоті повітря дійсно є домішка невідомого газу, більш важкого, ніж азот, і вкрай інертного хімічно.
Коли вони виступили з публічним повідомленням про своє відкриття, це зробило приголомшливе враження. Багатьом здавалося неймовірним, щоб кілька поколінь вчених, які виконали тисячі аналізів повітря, прогледіли його складову частину, та ще таку помітну - майже відсоток!
До речі, саме в цей день і час, 13 серпня 1894 р., аргон і отримав своє ім'я , яке в перекладі з грецького означає «недіяльному». Його запропонував головуючий на зборах доктор Медан.
Тим часом немає нічого дивного в тому, що аргон так довго вислизав від вчених. Адже в природі він себе рішуче нічим не виявляв! Напрошується паралель з ядерною енергією: кажучи про труднощі її виявлення, А. Ейнштейн зауважив, що нелегко розпізнати багатія, якщо він не витрачає своїх грошей ...
Скепсис вчених був швидко розвіяний експериментальної перевіркою і встановленням фізичних констант аргону. Але не обійшлося без моральних витрат: засмучений нападками колег (головним чином хіміків) Релей залишив вивчення аргону і хімію взагалі і зосередив свої інтереси на фізичні проблеми. Великий вчений, він і у фізиці досяг видатних результатів, за що в 1904 р. був удостоєний Нобелівської премії. Тоді в
Стокгольмі він знову зустрівся з Рамзаєм, який того ж дня отримував
Нобелівську премію за відкриття і дослідження благородних газів, в тому числі і аргону.
Узагальнення історії відкриття
Аргон був відкритий як інертний газ в атмосфері в 1894 Дж.Релеем, якийвиявив, що атмосферний азот на 0,5% важче, ніж отриманий хімічнимшляхом. Різниця пояснювалася присутністю мізерної кількості більш важкихінертних газів, переважно аргону. Цей елемент був першим з інертнихгазів, що були виявлені в природі на нашій планеті. Зміст аргону ватмосфері складає 0,93% (об.), причому його дещо більше надповерхнею великих водоймищ, ніж над сушею, тому що азот і кисень більшерозчинні у воді. У електротехнічної промисловості щомісячновитрачається кілька тисяч кубічних метрів аргону для створення інертногосередовища в лампах розжарювання: аргонова середу дозволяє знизити швидкістьвипаровування вольфрамової нитки і запобігає її окислення.
Будова Аргона
Аргон це газ із завершеним останнім електронним рівнем
Ar 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6
10 електронів
18 протонів
22 нейтрона
Фізичні властивості
Загальні властивості інертних газів
Всі шляхетні гази-безбарвні одноатомні газ без кольору і запаху мають більш високу електропровідність в порівнянні з іншимигазами і при проходженні через них струму яскраво светятсяНасищенний характератомних молекул інертних газів позначається і в тому, що інертні гази маютьбільш низькі точки скраплення і замерзання, ніж інші гази з тим жемолекулярною вагою.
З підгрупи важких інертних газів аргон найлегший. Він важчий за повітряв 1,38 рази. Рідиною стає прі - 185,9 ° C, твердне при - 189,4 ° C
(в умовах нормального тиску). На відміну від гелію і неону, він доситьдобре адсорбується на поверхнях твердих тіл і розчиняється у воді
(3,29 см3 в 100 г води при 20 ° C). Ще краще розчиняється аргон в багатьохорганічних рідинах. Зате він практично не розчиняється у металах і недифундує крізь них.
Як все інертні гази, аргон діамагнітен. Це означає, що його магнітна сприйнятливість негативна, він надає більша протидія магнітним силовим лініям, ніж порожнеча. Ця властивість аргону (як і багато інших) пояснюється «замкнутістю» електронних оболонок його атомів.
Під дією електричного струму аргон яскраво світиться, синьо-блакитне свічення аргону широко використовується в світлотехніці.
Тепер про вплив аргону на живий організм. При вдиханні суміші з 69% Ar,
11% азоту і 20% кисню під тиском 4 атм виникають явища наркозу, що виражені набагато сильніше, ніж при вдиханні повітря під тим же тиском. Наркоз миттєво зникає після припинення подачі аргону.
Причина - в неполярних молекул аргону, підвищений ж тиск посилює розчинність аргону в нервових тканинах.
Біологи знайшли, що аргон сприяє росту рослин. Навіть в атмосфері чистого аргону насіння рису, кукурудзи, огірків та жита викинули паростки. Цибулю, моркву і салат добре проростають в атмосфері, що складається з 98% аргону і тільки 2% кисню.
Хімічні властивості
Хімічна інертність аргону (як і інших газів цієї групи) і одноатомного його молекул пояснюються перш за все граничної насиченістю електронних оболонок. Проте розмова про хімії аргону сьогодні не безпредметна.
Є підстави вважати, що виключно нестійке з'єднання Hg - Ar, що утворюється в електричному розряді, - це справді хімічна (валентність) з'єднання. Не виключено, що будуть отримані валентні з'єднання аргону з фтором і киснем, які, швидше за все, будуть нестійкими, Як нестійкі і навіть вибухонебезпечні оксиди ксенону - газу, більш важкого і явно більш схильного до хімічних реакцій, ніж аргон.
Ще в Наприкінці минулого століття француз Війяр, стискаючи аргон під водою при 0 ° C, отримав кристалогідрат складу Аr · 6Н2О, а в 20 ... 30-х роках XX століття
Б.А. Нікітіним, Р.А. Франкраном та іншими дослідниками при підвищених тисках і низьких температурах були отримані кристалічні клатратние з'єднання аргону з H2S, SO2, галогеноводородамі, фенолами і деякими іншими речовинами. У 1976 р. з'явилося повідомлення про синтез гідридах аргону, але поки що важко сказати, чи є цей гідрид істинно хімічним, валентність з'єднанням.
Оце поки що і всі успіхи хімії ...
Аргон на Землі і у Всесвіті
На Землі аргону набагато більше, ніж всіх інших елементів його групи, разом узятих. Його середній вміст в земній корі (кларк) в 14 разів більше, ніж гелію, і в 57 разів більше, ніж неону. Є аргон і у воді, до
0,3 см3 в літрі морської та до 0,55 см3 в літрі прісної води. Цікаво, що в повітрі плавального міхура риб аргону знаходять більше, ніж в атмосферному повітрі. Це тому, що у воді аргон розчиняється краще, ніж азот ...
Головне «сховище» земної аргону - атмосфера. Його в ній (за вагою) 1,286%, причому 99,6% атмосферного аргону - це найтяжчий ізотоп - аргон-40. Ще більша частка цього ізотопу в аргоні земної кори. Тим часом у переважної більшості легких елементів картина зворотна - переважають легкі ізотопи.
Причина цієї аномалії виявлена в 1943 р. У земній корі знаходиться потужне джерело аргону-40 - радіоактивний ізотоп калію 40К. Цього ізотопу на перший погляд у надрах небагато - всього 0,0119% від загального вмісту калію.
Однак абсолютна кількість калію-40 великий, оскільки калій - один з найпоширеніших на нашій планеті елементів. У кожній тонні вивержених порід 3,1 г калію-40.
Радіоактивний розпад атомних ядер калію-40 йде одночасно двома шляхами.
Приблизно 88% калію-40 піддається бета розпаду і перетворюється на кальцій-
40. Та у 12 випадках зі 100 (в середньому) ядра калію-40 не випромінюють, а, навпаки, захоплюють по одному електрону з найближчої до ядра К-орбіти ( «К-захоплення»). Захоплений електрон з'єднується з протоном - утворюється новий нейтрон в ядрі і випромінюється нейтрино. Атомний номер елемента зменшується на одиницю, а маса ядра залишається практично незмінною. Так калій перетворюється на аргон.
Період напіврозпаду 40К достатньо великий - 1,3 млрд років. Тому процес утворення 40Аr в надрах Землі триватиме ще довго, дуже довго.
Тому, хоча і надзвичайно повільно, але неухильно зростатиме зміст аргону в земній корі і атмосфері, куди аргон «видихається» літосферою в результаті вулканічних про?? ессов, вивітрювання і перекристалізації гірських порід, а також водними джерелами.
Щоправда, за час існування Землі запас радіоактивного калію грунтовно скінчився - він став у 10 разів менше (якщо вік Землі вважати рівним 4,5 млрд років.). < br> Співвідношення ізотопів 40Аr: 40К і 40Ar: 36Аr в гірських породах лягло в основу аргонно методу визначення абсолютного віку мінералів. Очевидно, чим більше ці відносини, тим стародавня порода. Аргоновому метод вважається найбільш надійним для визначення віку вивержених порід і більшості калійних мінералів. За розробку цього методу професор Е.К. Герлінг в 1963 році удостоєний Ленінської премії.
Отже, весь або майже весь аргон-40 стався на Землі від калію-40. Тому важкий ізотоп і домінує в земній аргоні.
Цим фактором пояснюється, до речі, одна з аномалій періодичної системи.
Всупереч первісним принципом її побудови - принципом атомної ваги - аргон поставлений в таблиці попереду калію. Якщо б у аргоні, як і в сусідніх елементах, переважали легкі ізотопи (як це, очевидно, має місце в космосі), то атомна вага аргону був би на дві-три одиниці менше ...
Тепер про легких ізотопів .
Звідки беруться 36Аr і 38Аr? Не виключено, що якась частина цих атомів реліктового походження, тобто частину легкого аргону прийшла в земну атмосферу з космосу при формуванні нашої планети та її атмосфери. Але більша частина легких ізотопів аргону народилася на Землі в результаті ядерних процесів.
Ймовірно, ще не всі такі процеси виявлені. Швидше за все деякі з них давно припинилися, оскільки вичерпалися короткоживучі атоми-
«батьки», але є й понині протікають ядерні процеси, в яких народжуються аргон-36 і аргон-38. Це бета-розпад хлору-36, обстріл альфа-частками (в уранових мінералах) сірки-33 і хлору-35:
3617Cl? -> 3618Ar + 0-1e +?.
3316S + 42He> 3618Ar + 10n .
3517Cl + 42He> 3818Ar + 10n + 0 +1 e.
У матерії Всесвіту аргон представлений ще рясніше, ніж на нашій планеті.
Особливо багато його в речовині гарячих зірок і планетарних туманностей.
Підраховано , що аргону в космосі більше, ніж хлору, фосфору, кальцію, калію
- елементів, досить поширених на Землі.
У космічному аргоні панують ізотопи 36Аr і 38Аr, аргону-40 під
Всесвіту дуже мало. На це вказує мас-спектральний аналіз аргону з метеоритів. У тому ж переконують підрахунки поширеності калію.
Виявляється, у космосі калію приблизно в 50 тис. разів менше, ніж аргону, у той час як на Землі їх співвідношення явно на користь калію - 660: 1. А раз мало калію, то звідки ж узятися аргону-40?!
Застосування
Все ширше застосовується дугове зварювання в середовищі аргону. У аргоновомуструмені можна зварювати тонкостінні вироби і метали, які першвважалися важкозварювальних. Не буде перебільшенням сказати, щоелектрична дуга в аргоновому атмосфері внесла переворот в техніку різанняметалів. Процес набагато прискорився, з'явилася можливість різати товстілисти самих тугоплавких металів. Продувається вздовж стовпа дуги аргон (всуміші з воднем) охороняє кромки розрізу і вольфрамовий електрод відосвіти окисних, нітрідних і інших плівок. Одночасно він стискає іконцентрує дугу на малій поверхні, від чого температура в зоні різаннядосягає 4000-6000 ° С. До того ж ця газовий струмінь видуває продуктирізання. При зварюванні в аргоновому струмені немає потреби у флюсах і електроднихпокриттях, а отже, і в зачищення шва від шлаку і залишків флюсу
Як видобувають аргон
Земна атмосфера містить 66 · 1013 т аргону. Це джерело аргону невичерпний, тим більше що практично весь аргон рано чи пізно повертається в атмосферу, оскільки при використанні він не зазнає ніяких фізичних або хімічних змін. Виняток становлять досить незначні кількості ізотопів аргону, що витрачаються на отримання в ядерних реакціях нових елементів та ізотопів.
Отримують аргон як побічний продукт при розділенні повітря на кисень і азот. Зазвичай використовують воздухоразделітельние апарати дворазової ректифікації, що складаються з нижньої колони високого тиску
(попереднє розділення), верхній колони низького тиску та проміжного конденсатора-випарника. У кінцевому рахунку азот відводиться зверху, а кисень - з простору над конденсатором.
Летючість аргону більше, ніж кисню, але менше, ніж азоту. Тому аргонно фракцію відбирають в точці, що знаходиться приблизно на третині висоти верхньої колони, і відводять в спеціальну колону. Склад аргоновому фракції:
10 ... 12% аргону, до 0,5% азоту, решта - кисень. У «аргоновому» колоні, приєднаної до основного апарату, отримують аргон з домішкою 3 ... 10% кисню і 3 ... 5% азоту. Далі слід очищення «сирого» аргону від кисню (хімічним шляхом або адсорбцією) і від азоту (ректифікації). У промислових масштабах нині отримують аргон до 99,99%-ної чистоти. Аргон отримують також з відходів аміачного виробництва - з азоту, що залишився після того, як більшу його частину зв'язали воднем.
Аргон зберігають і транспортують в балонах ємністю 40 л, пофарбованих в сірий колір із зеленою смугою і зеленої написом. Тиск у них 150 атм. Більш економічна перевезення зрідженого аргону, для чого використовують судини Дюара і спеціальні цистерни.
Штучні радіоізотопи аргону отримані при опроміненні деякихстабільних та радіоактивних ізотопів (37Cl, 36Аr, 40Аr, 40Са) протонами іДейтона, а також при опроміненні нейтронами продуктів, що утворилися вядерних реакторах при розпаді урану. Ізотопи 37Аr і 41Аr використовуються якрадіоактивні індикатори: перший - у медицині та фармакології, другий - придослідженні газових потоків, ефективності заспівано вентиляції і врізноманітних наукових дослідженнях. Але, звичайно, не ці застосування аргонунайважливіші.
-----------------------< br>
