5.4. Аргоноїди

Перший елемент у періодичній таблиці, Гідроген, хімічно активний і утворює величезну кількість сполук. Хімію Гідрогену викладено в розд. 7. Гелій, другий елемент (атомний номер 2), сильно відрізняється від Гідрогену. Це газ, що має разючу хімічну властивість — він узагалі не утворює хімічних сполук і існує тільки у вільному стані. Атоми Гелію не сполучаються навіть між собою в багатоатомні молекули; газоподібний гелій складається з атомарних частинок; такий газ прийнято називати таким, що складається з одноатомних молекул. Оскільки за властивостями гелій стоїть осібно від інших елементів, його називають «благородним» газом.

Відсутність реакційної здатності в атома Гелію зумовлена винятковою стійкістю його електронної структури. Ця стійкість характерна для атома, що має два електрони поблизу атомного ядра.

Інші елементи нульової групи — Неон, Аргон, Криптон, Ксенон і Радон — у хімічному відношенні також інертні. Слабко виражена схильність цих елементів утворювати хімічні сполуки зумовлена великою стійкістю їхніх електронних структур. Такі винятково стійкі електронні структури утворюються в тих випадках, коли число електронів навколо ядра дорівнює 2, 10, 18, 36, 54 і 86.

Шість газів із цими атомними номерами називають аргоноїдами (іноді благородними або інертними газами). Їхні назви, за винятком радону, походять від грецьких коренів: Helios — сонце, neos — новий, argos — бездіяльний, kriptos — прихований, xenos — чужий. Назва «радон» походить від слова «радій», тобто від назви елемента, з якого він утворюється внаслідок радіоактивного розпаду. Деякі властивості цих елементів наведено в табл. 5.2. Слід звернути увагу на закономірну зміну температур плавлення й кипіння зі зростанням атомних номерів елементів.

Таблиця 5.2. Властивості аргоноїдів.

Гелій у дуже невеликих кількостях міститься в атмосфері. Його присутність на Сонці підтверджується наявністю спектральних ліній Гелію; у спектрі сонячного світла. Ці лінії було виявлено в 1868 р., задовго до того, як елемент було відкрито на Землі, і тоді ці лінії приписали новому елементу, який Норман Локаєр (1836—1920) назвав Гелієм (helium)*.

Гелій трапляється у вигляді газових включень у деяких мінералах, що містять Уран, з яких його можна виділити нагріванням. Він присутній також у природному газі деяких мінеральних джерел, наприклад у Техасі й Канаді; ці джерела головним чином і використовують для добування цього елемента.

Гелій застосовують для наповнення аеростатів, а також для приготування суміші з киснем (гелій замінює азот повітря), що її використовують під час водолазних робіт для запобігання кесонній хворобі; за вдихання звичайного повітря під підвищеним тиском азот розчиняється в крові, а потім виділяється з неї у вигляді бульбашок, які закупорюють дрібні судини; застосування для дихання суміші гелію з киснем виключає за цих умов наркотичну (анестезійну) дію, яку чинить азот під тиском. Найважливіше застосування гелію — використання його в рідкому стані для здобуття гранично низьких температур під час наукових досліджень, а також під час вивчення електричної надпровідності.

Другий аргоноїд — неон — міститься в атмосфері в кількості, що не перевищує 0,002%. Його добувають разом з іншими аргоноїдами (за винятком гелію) фракційною перегонкою рідкого повітря (повітря, перетвореного на рідину шляхом охолодження).

Коли електричний струм проходить крізь розрядну трубку, наповнену газоподібним неоном під низьким тиском, атоми Неону випромінюють світло з характерними спектральними лініями. Яскраве червоне світло, яке одержують таким чином, використовують у рекламних пристроях (неонові трубки). Світіння різних інших кольорів можна одержати, використовуючи гелій, аргон і ртуть, іноді в суміші з неоном або іншими газами.

Вміст аргону в атмосфері становить приблизно 1%. Ним наповнюють балони електричних ламп, щоб нитку розжарення можна було нагрівати до вищої температури, ніж у вакуумних лампах, і таким чином одержувати яскравіше світло. Аргон зменшує швидкість випаровування металевої нитки розжарення, оскільки затримує дифузію атомів металу, що випаровуються з нитки, і сприяє тому, щоб атоми, які випарувалися, знову осідали на металевій нитці. Аргон також широко застосовують у промисловості для створення хімічно інертної атмосфери, зокрема під час зварювання та під час виробництва чистих металів і сплавів.

Криптон і ксенон, що містяться в повітрі в дуже малих кількостях, не знайшли скільки-небудь значного застосування. ксенон є добрим анестезійним засобом, проте він надто дорогий для широкого застосування (його використовували в медицині для загального наркозу лише при двох операціях).

У 1962—1963 рр. було синтезовано ряд сполук Ксенону. Першою було одержано ксенон гексафтороплатинат XePtF₆— жовту кристалічну речовину, про синтез якої повідомив англійський хімік Ніл Бартлет. Він же в 1963 р. повідомив про синтез відповідної сполуки Родію XeRhF₆. Вчені Аргоннської національної лабораторії, а пізніше й інші дослідники одержали ряд флуоридів Ксенону, у тому числі XeF₂, XeF₄ і XeF₆. Усі ці сполуки є забарвленими твердими речовинами, що бурхливо реагують з водою. Продуктами реакції XeF₄ і XeF₆ з водою є нестійкі (вибухові) тверді речовини, що мають склад Xe(OH)₄, XeO₃ і H₄XeO₆ (перксенонова кислота). Було синтезовано також деякі сполуки Радону та Криптону (RnF₄, KrF₄).

Радон, що повільно виділяється радієм, радіоактивний, його застосовують у лікуванні раку. Встановлено, що промені, які випромінюють радіоактивні речовини, часто ефективно діють при цьому захворюванні. Один зі способів лікування радіоактивним випромінюванням полягає в такому: радоном, виділеним із зразка радію, наповнюють невелику золоту ампулу, яку потім розміщують поблизу злоякісної пухлини.

Історія відкриття аргону слугує цікавою ілюстрацією того, наскільки важливо звертати увагу на найдрібніші невідповідності в результатах наукових досліджень.

Понад століття вважали, що атмосферне повітря складається виключно з кисню (21% за об'ємом) і азоту (79% за об'ємом), якщо не брати до уваги невеликих змінних кількостей водяної пари та карбон(IV) оксиду. У 1785 р. англійський учений Генрі Кавендіш (1731—1810) вивчав склад атмосфери. Він змішував кисень із повітрям і потім крізь одержану суміш пропускав електричну іскру з метою добування оксидів Нітрогену, які потім поглиналися розчином, що перебував у контакті з газом (рис. 5.2). Пропускаючи іскри доти, доки об'єм уже більше не зменшувався, і вилучаючи кисень із газу, що залишився, за допомогою іншого розчину, Кавендіш помітив, що після такого оброблення непоглинутою залишалася лише невелика бульбашка газу, за розмірами не більша за 1/120 частини спочатку взятого повітря. Незважаючи на те що ретельність експериментів Кавендіша не викликала сумнівів, хіміки все ж припускали, що за довшого пропускання іскор залишку газу не було б, і експерименти Кавендіша можна було б розглядати як підтвердження того, що атмосфера складається тільки з кисню й азоту.

Через понад 100 років Релей розпочав роботи з точного визначення густини газів — водню, кисню та азоту. Для одержання азоту він змішував осушене повітря з надміром амоніаку NH₃ і пропускав суміш над міддю, нагрітою до червоного розжарення. За цих умов кисень реагує з амоніаком за рівнянням

NH₃ або 4NH₃ (на думку редакції сайту) + 3O₂→ 6H₂O + 2N₂

Потім під час барботування газу крізь сульфатну кислоту відбувалося поглинання надміру амоніаку. Газ, що залишився після висушування, мав би становити чистий азот, одержаний частково з амоніаку, частково з повітря. Далі вимірювали густину цього газу. Другий зразок азоту вчений одержував шляхом простого пропускання повітря над міддю, нагрітою до червоного розжарення, яка зв'язувала кисень повітря, утворюючи з ним купрум(II) оксид за рівнянням

O₂ + 2Cu → 2CuO

Після визначення густини цього газу виявилося, що вона приблизно на 0,1% більша, ніж густина першого зразка, одержаного з амоніаку й повітря. Щоб з'ясувати причини спостережуваного розходження в значеннях густини, вчений приготував третій зразок азоту, цього разу реакцією амоніаку з чистим киснем. Виявилося, що цей зразок азоту мав густину на 0,5% меншу від густини другого зразка.

Рис. 5.2. Прилад Кавендіша, що застосовується для визначення складу повітря. 1 — до високовольтного джерела; 2 — платинові дротинки; 3 — іскра; 4 — ртутні затвори; 5 — слабкий розчин лугу; 6 — скляні U-подібні трубки.

Подальші дослідження показали, що азот, який цілком добувають із повітря описаним вище методом, має густину на 0,5% більшу від густини азоту, що його добувають з амоніаку або будь-яким іншим хімічним способом. Було встановлено, що азот, виділений із повітря, має густину 1,2572 г·л^-1 за 0 °C і 1 атм, тоді як азот, приготований хімічними методами, має густину 1,2505 г·л^-1. Релей і Рамзай повторили тоді експеримент Кавендіша й за допомогою спектроскопічного аналізу показали, що залишковий газ був насправді не азотом, а новим елементом — Аргоном. Після цього вони почали шукати інші аргоноїди й відкрили їх. 

* Закінчення латинської назви елемента «шт» (що відповідає українському закінченню «ій») завжди вживали тільки в назвах металів; у цьому разі воно з'явилося внаслідок того, що Локаєр помилково вважав новий елемент металом. Логічніше було б назвати елемент «геліоном» відповідно до назв інших аргоноїдів.