Первый элемент в периодической таблице, водород, химически активен и образует огромное число соединений. Химия водорода изложена в гл. 7. Гелий, второй элемент (атомный номер 2), сильно отличается от водорода. Это газ, обладающий поразительным химическим свойством — он вообще не образует химических соединений и существует только в свободном состоянии. Атомы гелия не соединяются даже между собой в полиатомные молекулы; газообразный гелий состоит из атомарных частиц; такой газ принято называть состоящим из одноатомных молекул. Поскольку по свойствам гелий стоит особняком от других элементов, его называют «благородным» газом.
Отсутствие реакционной способности у атома гелия обусловлено исключительной устойчивостью его электронной структуры. Эта устойчивость характерна для атома, имеющего два электрона вблизи атомного ядра.
Другие элементы нулевой группы — неон, аргон, криптон, ксенон и радон — в химическом отношении также инертны. Слабо проявляющаяся тенденция этих элементов образовывать химические соединения обусловлена большой устойчивостью их электронных структур. Такие исключительно устойчивые электронные структуры образуются в тех случаях , когда число электронов вокруг ядра равно 2, 10, 18, 36, 54 и 86.
Шесть газов с этими атомными номерами называют аргоноидами (иногда благородными или инертными газами). Названия их, за исключением радона, происходят от греческих корней: Helios — солнце, neos — новый, argos — недеятельный, kriptos — скрытый, xenos — чуждый. Название «радон» происходит от слова «радий», т. е. от названия элемента, из которого он образуется в результате радиоактивного распада. Некоторые свойства этих элементов приведены в табл. 5.2. Следует обратить внимание на закономерное изменение точек плавления и кипения по мере возрастания атомных номеров элементов.
Таблица 5.2. Свойства аргоноидов.
Гелий
Гелий в очень небольших количествах содержится в атмосфере. Его присутствие на Солнце подтверждается наличием спектральных линий гелия; в спектре солнечного света. Эти линии были обнаружены в 1868 г., задолго до того, как элемент был открыт на Земле, и тогда эти линии были приписаны новому элементу, который Норман Локьер (1836—1920) назвал гелием (helium)*.
Гелий встречается в виде газовых включений в некоторых урансодержащих минералах, из которых его можно выделить нагреванием. Он присутствует также в природном газе некоторых минеральных источников, например в Техасе и Канаде; эти источники главным образом и используют для получения данного элемента.
Применяют гелий для наполнения аэростатов, а также для приготовления смеси с кислородом (гелий заменяет азот воздуха), используемой при водолазных работах для предотвращения кессонной болезни; при вдыхании обычного воздуха под повышенным давлением азот растворяется в крови, а затем выделяется из нее в виде пузырьков, которые закупоривают мелкие сосуды; применение для дыхания смеси гелия с кислородом исключает в этих условиях наркотическое (анестезирующее) действие, оказываемое азотом под давлением. Важнейшее применение гелия — использование его в жидком состоянии для получения предельно низких температур при научных исследованиях, а также при изучении электрической сверхпроводимости.
Неон
Второй аргоноид — неон — содержится в атмосфере в количестве, не превышающем 0,002%. Его получают вместе с другими аргоноидами (за исключением гелия) фракционной перегонкой жидкого воздуха (воздуха, превращенного в жидкость путем охлаждения).
При прохождении электрического тока через разрядную трубку, наполненную газообразным неоном под низким давлением, атомы неона испускают свет с характерными спектральными линиями. Получаемый таким образом яркий красный свет используют в рекламных устройствах (неоновые трубки). Свечение различных других окрасок можно получить при использовании гелия, аргона и ртути, иногда в смеси с неоном или другими газами.
Аргон
Содержание аргона в атмосфере составляет примерно 1%. Им наполняют баллоны электрических ламп, чтобы нить накаливания можно было нагревать до более высокой температуры, нежели в вакуумных лампах, и таким образом получать более яркий свет. Аргон уменьшает скорость испарения металлической нити накаливания, поскольку задерживает диффузию испаряющихся с нити атомов металла, и способствует тому, чтобы испарившиеся атомы вновь оседали на металлической нити. Аргон также широко применяют в промышленности для создания инертной в химическом отношении атмосферы, в частности при сварке и при производстве чистых металлов и сплавов.
Криптон, ксенон и радон
Криптон и ксенон, содержащиеся в очень малых количествах в воздухе, не нашли сколько-нибудь значительного применения. Ксенон является хорошим анестезирующим средством, однако он слишком дорог для широкого применения (его использовали в медицине для общего наркоза всего при двух операциях).
В 1962—1963 гг. был синтезирован ряд соединений ксенона. Первым был получен гексафтороплатинат ксенона ХеРtF6— желтое кристаллическое вещество, о синтезе которого сообщил английский химик Нейл Бартлет. Он же в 1963 г. сообщил о синтезе соответствующего родиевого соединения ХеRhF6. Ученые Аргоннской национальной лаборатории, а позже и другие исследователи получили ряд фторидов ксенона, в том числе ХеF2, ХеF4 и ХеF6. Все эти соединения представляют собой окрашенные твердые вещества, бурно реагирующие с водой. Продуктами реакции ХеF4 и ХеF6 с водой являются неустойчивые (взрывчатые) твердые вещества, имеющие состав Хе(ОН)4, ХеO3 и Н4ХеО6 (перксеноновая кислота). Были синтезированы также некоторые соединения радона и криптона (RnF4, KrF4).
Радон, который медленно выделяется радием, радиоактивен, его применяют при лечении рака. Установлено, что лучи, испускаемые радиоактивными веществами, часто эффективно действуют при этом заболевании. Один из способов лечения радиоактивным излучением заключается в следующем: радоном, выделенным из образца радия, наполняют небольшую золотую ампулу, которую затем помещают вблизи злокачественной опухоли.
Открытие аргоноидов
История открытия аргона служит интересной иллюстрацией того, насколько важно обращать внимание на мельчайшие несоответствия в результатах научных исследований.
Более века считали, что атмосферный воздух состоит исключительно из кислорода (21% по объему) и азота (79% по объему), если не учитывать небольших переменных количеств водяных паров и двуокиси углерода. В 1785 г. английский ученый Генри Кавендиш (1731—1810) изучал состав атмосферы. Он смешивал кислород с воздухом и затем через полученную смесь пропускал электрическую искру с целью получения окислов азота, которые затем поглощались раствором, находящимся в контакте с газом (рис. 5.2). Пропуская искры до тех -пор, пока объем уже более не уменьшался, и удаляя кислород из оставшегося газа при помощи другого раствора, Кавендиш заметил, что после такой обработки непоглощенным оставался лишь небольшой пузырек газа, по размерам не превышающий 1/120 части первоначально взятого воздуха. Несмотря на то что тщательность экспериментов Кавендиша не вызывала сомнений, химики все же допускали, что при более продолжительном пропускании искр остатка газа не было бы, и эксперименты Кавендиша можно было бы рассматривать как подтверждение того, что атмосфера состоит только из кислорода и азота.
По прошествии более 100 лет Рэлей начал работы по точному определению плотности газов — водорода, кислорода и азота. Для получения азота он смешивал осушенный воздух с избытком аммиака NH3 и пропускал смесь над нагретой до красного каления медью. В этих условиях кислород реагирует с аммиаком по уравнению
NH3 + 3O2→ 6Н2O + 2N2
Затем при барботировании газа через серную кислоту происходило поглощение избытка аммиака. Оставшийся после высушивания газ должен был бы представлять собой чистый азот, полученный частично из аммиака, частично из воздуха. Далее измеряли плотность этого газа. Второй образец азота ученый получал путем простого пропускания воздуха над нагретой до красного каления медью, которая связывала кислород воздуха, образуя с ним окись меди по уравнению
O2 + 2Cu → 2CuO
После определения плотности этого газа оказалось, что она примерно на 0,1% больше, чем плотность первого образца, полученного из аммиака и воздуха. Для выяснения причин наблюдаемого расхождения в значениях плотности ученый приготовил третий образец азота, на этот раз реакцией аммиака с чистым кислородом. Оказалось, что этот образец азота имел плотность на 0,5% меньше плотности второго образца.
Рис. 5.2. Прибор Кавендиша, применяемый для определения состава воздуха. 1 — к высоковольтному источнику; 2 — платиновые проволочки; 3 — искра; 4 — ртутные затворы; 5 — слабый раствор щелочи; 6 — стеклянные U-образные трубки.
Дальнейшие исследования показали, что азот, целиком получаемый из воздуха описанным выше методом, имеет плотность на 0,5% больше плотности азота, получаемого из аммиака или каким-либо иным химическим способом. Было установлено, что азот, выделенный из воздуха, имеет плотность 1,2572 г·л-1 при 0°С и 1 атм, тогда как азот, приготовленный химическими методами, имеет плотность 1,2505 г·л-1. Рэлей и Рамзай повторили затем эксперимент Кавендиша и спектроскопическим анализом показали, что остаточный газ был в действительности не азотом, а новым элементом — аргоном. После этого они начали искать другие аргоноиды и открыли их.
* Окончание латинского названия элемента «шт» (соответствующее русскому окончанию «ий») всегда использовали только в названиях металлов; в данном случае ©но появилось в результате того, что Локьер ошибочно считал новый элемент металлом. Логичнее было бы назвать элемент «гелионом» в соответствии с названиями других аргоноидов.