Инертные газы. Открытие аргона

Благородные газы — гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и ра­дон — раньше выделяли в нулевую группу. В последнее время их помещают в главную подгруппу VIII группы.

В 1892 г. Дж. Рэлей, исследуя плотность различных газов, заме­тил, что 1 л азота, полученного из азотосодержащих веществ, имел массу 1,251 г, а 1 л азота, полученного из воздуха — 1,257 г. Это различие в третьем десятичном знаке натолкнуло ученого на мысль, что в азоте, полученном из воздуха, содержатся какие-то неизвестные газы. После отделения кислорода (пропусканием возду­ха над раскаленной медью):

2 Cu + O₂ = 2 CuO

и азота (пропусканием над раскаленным магнием):

3 Mg + N₂ = Mg₃N₂

получили газ в количестве 1% первоначального объема воздуха. Этот газ не вступал ни в какие химические реакции и был назван аргоном (недеятельным или инертным). Таким образом был открыт первый благородный газ. Это открытие называют «торжеством тре­тьего десятичного знака».

Позже оказалось, что полученный газ представляет собой смесь нескольких газов. В этой смеси оказался и гелий, линии которого были обнаружены в солнечном спектре еще в 1868 г. Когда гелий и аргон поместили в нулевую группу периодической системы элементов в порядке возрастания их атомных масс, между ними оказалось незаполненное место. Это послужило поводом к дальнейшим поискам. В 1898 г. У. Рамзай и М. Траверс открыли криптон (скрытый) и неон (новый). При перегонке смеси благородных газов У. Рамзай установил, что остаток после отгонки аргона содержал еще один благородный газ, и назвал его ксеноном (чужой). В 1899 г. Р. Б. Оуэнc, Э. Резерфорд, Э. Дорн и А. Дебьерн обнаружили в продуктах распада радия еще один благородный газ, который назвали радоном. Таким образом, нулевая группа оказалась заполненной.

Вопрос об атомности молекулы аргона был разрешен при помощи кинетической теории. Согласно последней, количество тепла, которое нужно затратить для нагревания моля газа на один градус, зависит от числа атомов в его моле­куле. При постоянном объеме моль одноатомного газа требует 13 Дж, двухатомного — 21 Дж. Для аргона опыт давал 13 Дж, что и указывало на одноатомность его молекулы. То же относится и к другим инертным газам.

Следующий по времени открытия инертный газ — гелий («солнечный») был обнаружен на Солнце раньше, чем на Земле. Это оказалось возможным, благодаря разработанному в 50-х годах XIX века методу спектрального анализа.

Если тонкий пучок «белого» солнечного света направить на стеклянную призму, он разлагается на лучи различных цветов радуги (рис. 3.6). Каждый луч может быть охарактеризован определенной длиной волны (l) или частотой колебаний (n), т. е. чис­лом волн, сменяющихся за одну секунду.^*

Рис. 3.6. Разложение солнечного луча призмой.

* Греческие буквы l, и n читаются соответственно «лямбда» и «ню». Выражае­мые ими величины легко могут быть переведены друг в друга, так как они связаны соотношением: l·n = с, где с — скорость света (3·10⁸ м/сек). Отсюда следует, что чем меньше l, тем больше n, и обратно.

Для измерения длин световых волн (и других очень малых длин) обычно при­меняются следующие единицы: микрон (мк, m) = 0,001 мм = 10^-4 см; миллимикрон (ммк, mm) = 0,001 мк = 10^-7 см; ангстрем (А) = 0,1 ммк = 10^-8 см.

По международному соглашению (1960 г.) при образовании кратных и дольних единиц рекомендуется использовать определенные приставки к основным единицам (м, г и др.). Ниже приводятся соответствующие множители, названия отвечающих им приставок, их русские (верхняя строка) и латинские обозначения:

В этой системе обозначений 1 микрон = 1 мкм, 1 миллимикрон = 1 нм и 1 ангстрем = 0,1 нм = 100 пм.

По обе стороны от видимого спектра располагаются невидимые лучи: инфракрасные и ультрафио­летовые, которые могут быть обнаружены и изучены при помощи раз­личных физических методов.

Рис. 3.7. Биологическая активность ультрафиоле­товых лучей. 

Они обла­дают рядом интересных особенностей. Как видно из рис. 3.7, ультрафиолетовые лучи при определенных длинах волн обладают сильным бактерицидным (убивающим бакте­рии), а при несколько больших — эритемным (вызывающим загар кожи) действием. Облучение ими в умеренных дозах благотворно влияет на организм человека. Установлено, что насекомые весьма чувствительны к ультрафиолетовым лучам, которые привлекают их даже сильнее, чем обычный видимый свет.

На долю инфракрасных лучей приходится около 50% всей доходящей до Земли солнечной энергии, и они имеют основное значение для жизни растений. Лучи эти почти не задерживаются туманом, что позволяет фотографировать земную поверхность сквозь облачный покров. Инфракрасные лучи испускаются всяким нагретым предметом, в том числе каждым теплокровным животным (характерные длины волн порядка 0,01 мм). Исследованием, проведенным на гремучих змеях, было выяснено, что они имеют в передней части головы специальные теплочувствительные органы и при охоте руководствуются главным образом тепловым излучением своих жертв. Высокочувствительные приемники в инфракрасном диапазоне улавливают разности температур до тысячных долей градуса. Такое «тепловидение» позволяет решать ряд важных задач — от медицинской диагностики некоторых забо­левании до точного определения местонахождения самолетов в полной темноте.

Если внести в пламя горелки какую-нибудь летучую при нагрева­ния соль натрия, оно окрасится в желтый цвет, при внесении летучих соединений меди — в сине-зеленый цвет и т. д. Каждый химический элемент при достаточном, нагревании испускает лучи определенных, характерных для него длин волн.

Определение длин световых волн осуществляется с помощью спектроскопа. Прибор этот и дал возможность по спектру солнца установить его химический состав. Еще в 1868 г. были таким путем обнаружены линии, не отвечающие ни одному из известных веществ. Эти линии приписали новому элементу — гелию. На земле он был впервые (1895 г.) найден в газах, выделяющихся при нагревании минерала клевеита.

Через несколько лет после открытия аргона и гелия (в 1898 г.) были выделены из воздуха еще три инертных газа: неон («новый»), криптон («скрытый») и ксенон («чуждый»). Насколько трудно было их обнаружить, видно из того, что 1 м³ воздуха, наряду с 9,3 л аргона, содержит лишь 18 мл неона, 5 мл гелия, 1 мл криптона и 0,09 мл ксе­нона.

Последний инертный газ — радон был открыт в 1900 г. при изучении некоторых минералов.