История открытия инертных газов

К благородным газам относятся гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. По своим свойствам они не похожи ни на какие, другие элементы и в периодической системе располагаются между типичными металлами и неметаллами.

История открытия инертных газов представляет большой интерес: во-первых, как триумф введённых Ломоносовым количественных методов химии (открытие аргона), а во-вторых, как триумф теоретического предвидения (открытие остальных инертных газов), опирающегося на величайшее обобщение химии — периодический закон Менделеева.

Открытие физиком Рэлеем и химиком Рамзаем первого благородного газа — аргона — произошло в то время, когда построение периодической системы казалось завершённым и в ней оставалось лишь несколько пустых клеток.

Ещё 1785 году английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенно устойчивый химически. На долю этого газа приходилась примерно одна сто двадцатая часть объема воздуха. Но что это за газ, Кавендишу выяснить не удалось.

Об этом опыте вспомнили 107 лет спустя, когда Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей) натолкнулся на ту же примесь, заметив, что азот воздуха тяжелее, чем азот, выделенный из соединений. Не найдя достоверного объяснения аномалии, Рэлей через журнал «Nature» обратился к коллегам-естествоиспытателям с предложением вместе подумать и поработать над разгадкой ее причин…

Спустя два года Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно есть примесь неизвестного газа, более тяжелого, чем азот, и крайне инертного химически. «Воздух при помощи раскалённой меди был лишён своего кислорода и затем нагрет с кусочками магния в трубочке. После того как значительное количество азота было поглощено магнием, была определена плотность остатка. Плотность оказалась в 15 раз больше плотности водорода, тогда как плотность азота только в 14 раз больше её. Эта плотность возрастала ещё по мере дальнейшего поглощения азота, пока не достигла 18. Этим было доказано, что воздух содержит газ, плотность которого больше плотности азота… Я получил 100 см³ этого вещества и нашёл его плотность равной 19,9. Оно оказалось одноатомным газом». Когда они выступили с публичным сообщением о своем открытии, это произвело ошеломляющее впечатление. Многим казалось невероятным, чтобы несколько поколений ученых, выполнивших тысячи анализов воздуха, проглядели его составную часть, да еще такую заметную — почти процент! Кстати, именно в этот день и час, 13 августа 1894 года, аргон и получил свое имя, которое в переводе с греческого значит «недеятельный».

Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 П. Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия, первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1871 Дж. Локьер и П. Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов. Локьер и Э. Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. «Гелиос», что означает солнце. В то время не знали, что гелий — инертный газ, и предполагали, что это металл. И только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У. Рамзай и почти одновременно шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Год спустя Г. Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э. Резерфорд и Т. Ройдс установили, что частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.

После этого открытия Рамзай пришёл к выводу, что существует целая группа химических элементов, которая располагается в периодической системе между щелочными металлами и галогенами. Пользуясь периодическим законом и методом Менделеева, было определено количество неизвестных благородных газов и их свойства, в частности их атомные массы. Это позволило осуществить и целенаправленные поиски благородных газов.

Вначале Рамзай и его сотрудники занялись минералами, природными водами, даже метеоритами. Результаты анализов неизменно оказывались отрицательными. Между тем—теперь мы это знаем —новый газ в них был. Но методами, существовавшими в конце прошлого века, эти «микроследы» не улавливались. Затем исследователи обратились к воздуху.

Всего за четыре последующих года было открыто четыре новых элемента, при этом неон, криптон и ксенон были выделены из воздуха.

Воздух, очищенный предварительно от углекислоты и влаги, сжижали, а затем начинали медленно испарять. Сначала «летят» более легкие газы. После испарения основной массы воздуха рассортировывают оставшиеся тяжелые инертные газы. Затем, полученные фракции исследовали. Одним из методов поиска был спектральный анализ: газ помещали в разрядную трубку, подключали ток и по линиям спектра определяли «кто есть кто».

Когда в разрядную трубку поместили первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха, то в спектре наряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаружены новые линии, из них особенно яркими были красные и оранжевые. Они придавали свету в трубке огненную окраску. В момент, когда Рамзай наблюдал спектр только что полученного газа, в лабораторию вошел его двенадцатилетний сын, успевший стать «болельщиком» отцовых работ. Увидев необычное свечение, он воскликнул: «new one!» Так возникло название газа «неон», по-древнегречески значит «новый».

После того как были открыты гелий, неон и аргон, завершающие три первых периода таблицы Менделеева, уже не вызывало сомнений, что четвёртый, пятый и шестой периоды тоже должны оканчиваться инертным газом. Но найти их удалось не сразу. Это и неудивительно: в 1 м³ воздуха 9, 3 л аргона и всего лишь 0, 08 мл ксенона. Но к тому времени стараниями ученых, прежде всего англичанина Траверса, появилась возможность получать значительные количества жидкого воздуха. Стал доступен даже жидкий водород. Благодаря этому Рамзай совместно с Траверсом смог заняться исследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха, получающейся после отгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и аргона. Остаток содержал сырой (то есть неочищенный) криптон («скрытый»). Однако после откачки его в сосуде неизменно оставался пузырек газа. Этот газ голубовато светился в электрическом разряде и давал своеобразный спектр с линиями в областях от оранжевой до фиолетовой. Характерные спектральные линии — визитная карточка элемента. У Рамзая и Траверса были все основания считать, что открыт новый инертный газ. Его назвали ксеноном, что в переводе с греческого значит «чужой»: в криптоновой фракции воздуха он действительно выглядел чужаком. В поисках нового элемента и для изучения его свойств Рамзай и Траверс переработали около ста тонн жидкого воздуха; индивидуальность ксенона как нового химического элемента они установили, оперируя всего 0,2 см³ этого газа. Необычайная для того времени тонкость эксперимента! Хотя содержание ксенона в атмосфере крайне мало, именно воздух — практически единственный и неисчерпаемый источник ксенона. Неисчерпаемый — потому, что почти весь ксенон возвращается в атмосферу.

Заслуга открытия высшего представителя инертных газов принадлежит тому же Рамзаю. При помощи весьма тонких технических приёмов он доказал, что радиоактивное истечение из радия — эманация радия — представляет собой газ, подчиняющийся всем законам обычных газов, химически инертный и обладающий характерным спектром. Его молекулярный вес — около 220 — был Рамзаем измерен по скорости диффузии. Если предположить, что ядро атома эманации радия — это остаток ядра радия после выбрасывания из него ядра атома гелия — -частицы, то заряд его должен быть равен 88−2=86, т. е. новый элемент должен действительно быть инертным газом с атомным весом 226−4=222.

Таким образом, после блестящих экспериментов 16 марта 1900 г. в Лондоне произошла встреча Менделеева и Рамзая, на которой было официально решено включить в периодическую систему новую группу химических элементов.