ขุนนางธาตุ

ตารางธาตุแต่ละแถวจะสิ้นสุดที่ส่วนท้าย เมื่อกว่าร้อยปีที่แล้ว การดำรงอยู่ของพวกเขาไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน จากนั้นพวกเขาก็ทำให้โลกประหลาดใจด้วยคุณสมบัติทางเคมีหรือขาดหายไป แม้ในเวลาต่อมาพวกเขากลับกลายเป็นผลที่ตามตรรกะของกฎแห่งธรรมชาติ ก๊าซมีตระกูล

เมื่อเวลาผ่านไปพวกเขา "เริ่มดำเนินการ" และในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ผ่านมาพวกเขาเริ่มเชื่อมโยงกับองค์ประกอบที่มีเกียรติน้อยกว่า มาเริ่มเรื่องราวของสังคมชั้นประถมศึกษาตอนต้นดังนี้

กระโน้น…

… มีลอร์ดคนหนึ่ง

Lord Henry Cavendish (1731-1810) ในภาพร่างเก่า

Henry Cavendish เขาเป็นชนชั้นสูงของอังกฤษ แต่เขาสนใจที่จะเรียนรู้ความลับของธรรมชาติ ในปี ค.ศ. 1766 เขาได้ค้นพบไฮโดรเจน และสิบเก้าปีต่อมาเขาได้ทำการทดลองซึ่งเขาสามารถค้นพบธาตุอื่นได้ เขาต้องการทราบว่าอากาศมีส่วนประกอบอื่นๆ นอกเหนือจากออกซิเจนและไนโตรเจนที่ทราบอยู่แล้วหรือไม่ เขาเติมอากาศลงในหลอดแก้วที่โค้งงอ จุ่มปลายท่อลงในภาชนะปรอทแล้วปล่อยไฟฟ้าออกมาระหว่างกัน ประกายไฟทำให้ไนโตรเจนรวมกับออกซิเจน และสารประกอบที่เป็นกรดที่ได้นั้นถูกดูดซับโดยสารละลายอัลคาไล ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน คาเวนดิชจึงป้อนเข้าไปในท่อและทำการทดลองต่อไปจนกว่าไนโตรเจนทั้งหมดจะถูกกำจัดออกไป การทดลองกินเวลาหลายสัปดาห์ ในระหว่างที่ปริมาณก๊าซในท่อลดลงอย่างต่อเนื่อง เมื่อไนโตรเจนหมด กาเวนดิชก็เอาออกซิเจนออกและพบว่าฟองนั้นยังมีอยู่ ซึ่งเขาคาดว่าน่าจะเป็น ¹/₁₂₀ ปริมาณอากาศเริ่มต้น พระเจ้าไม่ได้ถามถึงธรรมชาติของสารตกค้าง โดยพิจารณาว่าผลกระทบนั้นเป็นประสบการณ์ที่ผิดพลาด วันนี้รู้แล้วว่าใกล้เปิดมาก อาร์กอนแต่ใช้เวลามากกว่าหนึ่งศตวรรษกว่าจะเสร็จสิ้นการทดลอง

ความลึกลับของดวงอาทิตย์

สุริยุปราคาดึงดูดความสนใจจากทั้งคนธรรมดาและนักวิทยาศาสตร์มาโดยตลอด เมื่อวันที่ 18 สิงหาคม พ.ศ. 1868 นักดาราศาสตร์ที่สังเกตปรากฏการณ์นี้เป็นครั้งแรกได้ใช้สเปกโตรสโคป (ออกแบบเมื่อไม่ถึง XNUMX ปีที่แล้ว) เพื่อศึกษาความโดดเด่นของดวงอาทิตย์ซึ่งมองเห็นได้ชัดเจนด้วยจานมืด ภาษาฝรั่งเศส Pierre Janssen ด้วยวิธีนี้ เขาได้พิสูจน์ว่าโคโรนาของดวงอาทิตย์ประกอบด้วยไฮโดรเจนและองค์ประกอบอื่นๆ ของโลกเป็นส่วนใหญ่ แต่วันรุ่งขึ้น ขณะสังเกตดวงอาทิตย์อีกครั้ง เขาสังเกตเห็นเส้นสเปกตรัมที่ไม่ได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ ซึ่งอยู่ใกล้กับเส้นโซเดียมสีเหลืองที่มีลักษณะเฉพาะ Janssen ไม่สามารถระบุถึงองค์ประกอบใด ๆ ที่ทราบได้ในขณะนั้น นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษเป็นผู้สังเกตการณ์แบบเดียวกัน นอร์แมน ล็อกเกอร์. นักวิทยาศาสตร์ได้เสนอสมมติฐานต่างๆ เกี่ยวกับองค์ประกอบลึกลับของดาวของเรา ล็อคเยอร์ตั้งชื่อเขา เลเซอร์พลังงานสูงในนามของเทพเจ้ากรีกแห่งดวงอาทิตย์ - เฮลิออส อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าเส้นสีเหลืองที่พวกเขาเห็นนั้นเป็นส่วนหนึ่งของสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูงมากของดาวฤกษ์ ในปี พ.ศ. 1881 นักฟิสิกส์และนักอุตุนิยมวิทยาชาวอิตาลี ลุยจิ พัลมิเอรี ศึกษาก๊าซภูเขาไฟของวิสุเวียสโดยใช้สเปกโตรสโคป ในสเปกตรัมของพวกเขา เขาพบแถบสีเหลืองที่มีสาเหตุมาจากฮีเลียม อย่างไรก็ตาม Palmieri อธิบายผลการทดลองของเขาอย่างคลุมเครือ และนักวิทยาศาสตร์คนอื่นไม่ได้ยืนยัน ตอนนี้เราทราบแล้วว่าพบฮีเลียมในก๊าซภูเขาไฟ และอิตาลีอาจเป็นคนแรกที่สังเกตสเปกตรัมฮีเลียมบนบก

ภาพประกอบจากปี 1901 แสดงอุปกรณ์สำหรับการทดลองคาเวนดิช

เปิดในทศนิยมตำแหน่งที่สาม

ในตอนต้นของทศวรรษสุดท้ายของศตวรรษที่ XNUMX นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ลอร์ดเรย์ลี่ (John William Strutt) ตัดสินใจกำหนดความหนาแน่นของก๊าซต่างๆ อย่างแม่นยำ ซึ่งทำให้สามารถระบุมวลอะตอมของธาตุได้อย่างแม่นยำ Rayleigh เป็นนักทดลองที่ขยันขันแข็ง ดังนั้นเขาจึงได้รับก๊าซจากแหล่งต่างๆ มากมายเพื่อตรวจจับสิ่งเจือปนที่จะทำให้ผลลัพธ์ผิดพลาด เขาสามารถลดข้อผิดพลาดในการตัดสินใจลงเหลือร้อยเปอร์เซ็นต์ซึ่งในเวลานั้นน้อยมาก ก๊าซที่วิเคราะห์มีความสอดคล้องกับความหนาแน่นที่กำหนดภายในข้อผิดพลาดในการวัด สิ่งนี้ไม่ได้ทำให้ใครประหลาดใจเนื่องจากองค์ประกอบของสารเคมีไม่ได้ขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิด ข้อยกเว้นคือไนโตรเจน - มีความหนาแน่นต่างกันเท่านั้นขึ้นอยู่กับวิธีการผลิต ไนโตรเจน บรรยากาศ (ได้มาจากอากาศหลังจากแยกออกซิเจน ไอน้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาแล้ว) หนักกว่าเสมอ สารเคมี (ได้มาจากการสลายตัวของสารประกอบ) ความแตกต่างที่แปลกคือคงที่และมีค่าประมาณ 0,1% Rayleigh ไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้ หันไปหานักวิทยาศาสตร์คนอื่น

ความช่วยเหลือนำเสนอโดยนักเคมี วิลเลียม แรมเซย์. นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองสรุปว่าคำอธิบายเพียงอย่างเดียวคือการมีก๊าซที่หนักกว่าในไนโตรเจนที่ได้จากอากาศผสมอยู่ เมื่อพวกเขาเจอคำอธิบายของการทดลองของคาเวนดิช พวกเขารู้สึกว่ามาถูกทางแล้ว พวกเขาทำการทดลองซ้ำ คราวนี้โดยใช้อุปกรณ์ที่ทันสมัย ​​และในไม่ช้าพวกเขาก็มีตัวอย่างก๊าซที่ไม่รู้จักอยู่ในครอบครอง การวิเคราะห์ทางสเปกโตรสโกปีแสดงให้เห็นว่ามีการแยกตัวออกจากสารที่รู้จัก และการศึกษาอื่น ๆ พบว่ามีอยู่ในรูปอะตอมที่แยกจากกัน จนถึงขณะนี้ยังไม่ทราบก๊าซดังกล่าว (เรามี O₂, N₂, ช₂) นั่นก็หมายถึงการเปิดองค์ประกอบใหม่ด้วย Rayleigh และ Ramsay พยายามทำให้เขา อาร์กอน (กรีก = เกียจคร้าน) ทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ แต่ไม่เกิดประโยชน์ เพื่อกำหนดอุณหภูมิของการควบแน่น พวกเขาหันไปหาบุคคลเดียวในโลกในเวลานั้นที่มีอุปกรณ์ที่เหมาะสม มันเป็น Karol Olszewskiศาสตราจารย์วิชาเคมีที่มหาวิทยาลัย Jagiellonian Olshevsky ทำให้อาร์กอนเหลวและแข็งตัวและยังกำหนดพารามิเตอร์ทางกายภาพอื่น ๆ

รายงานของ Rayleigh และ Ramsay ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 1894 ทำให้เกิดเสียงสะท้อนที่ดี นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถเชื่อได้ว่านักวิจัยรุ่นต่อรุ่นละเลยองค์ประกอบ 1% ของอากาศซึ่งมีอยู่บนโลกในปริมาณที่มากกว่าตัวอย่างเช่นเงิน การทดสอบโดยผู้อื่นได้ยืนยันการมีอยู่ของอาร์กอน การค้นพบนี้ถือเป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่และเป็นชัยชนะของการทดลองอย่างระมัดระวัง (ว่ากันว่าองค์ประกอบใหม่ถูกซ่อนอยู่ในตำแหน่งทศนิยมที่สาม) แต่ก็ไม่มีใครคาดคิดว่าจะมี...

… ก๊าซทั้งตระกูล

หมู่ฮีเลียม (เลขอะตอมอยู่ด้านบน มวลอะตอมอยู่ด้านล่าง)

ก่อนที่บรรยากาศจะได้รับการวิเคราะห์อย่างถี่ถ้วน อีกหนึ่งปีต่อมา Ramsay เริ่มสนใจบทความในวารสารธรณีวิทยาที่รายงานการปลดปล่อยก๊าซจากแร่ยูเรเนียมเมื่อสัมผัสกับกรด Ramsay พยายามอีกครั้ง ตรวจสอบก๊าซที่เกิดขึ้นด้วยสเปกโตรสโคป และเห็นเส้นสเปกตรัมที่ไม่คุ้นเคย ปรึกษากับ วิลเลียม ครูกส์ผู้เชี่ยวชาญด้านสเปกโทรสโกปีได้ข้อสรุปว่ามีคนค้นหามานานแล้วบนโลก เลเซอร์พลังงานสูง. ตอนนี้เรารู้แล้วว่านี่เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการสลายตัวของยูเรเนียมและทอเรียม ซึ่งบรรจุอยู่ในแร่ของธาตุกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ Ramsay ถาม Olszewski อีกครั้งเพื่อทำให้แก๊สใหม่เป็นของเหลว อย่างไรก็ตาม คราวนี้อุปกรณ์ไม่สามารถบรรลุอุณหภูมิต่ำเพียงพอ และไม่ได้รับฮีเลียมเหลวจนถึงปี 1908

ฮีเลียมก็กลายเป็นก๊าซโมโนโทมิกและไม่ทำงานเหมือนอาร์กอน คุณสมบัติของธาตุทั้งสองไม่เข้ากับตารางธาตุใดๆ และได้ตัดสินใจสร้างกลุ่มแยกสำหรับธาตุทั้งสอง [helowce_uklad] Ramsay ได้ข้อสรุปว่ามีช่องว่างในนั้นและร่วมกับเพื่อนร่วมงานของเขา มอร์ริเซม ทราเวิร์เซม เริ่มการวิจัยเพิ่มเติม โดยการกลั่นอากาศเหลว นักเคมีค้นพบก๊าซอีกสามชนิดในปี พ.ศ. 1898: นีออน (gr. = ใหม่), คริปทอน (กริยา = skryty) i ซีนอน (กรีก = ต่างชาติ). พวกมันทั้งหมดพร้อมกับฮีเลียมมีอยู่ในอากาศในปริมาณที่น้อยที่สุดซึ่งน้อยกว่าอาร์กอนมาก ความเฉื่อยทางเคมีขององค์ประกอบใหม่กระตุ้นให้นักวิจัยตั้งชื่อสามัญ ก๊าซมีตระกูล. 

หลังจากพยายามแยกตัวออกจากอากาศไม่สำเร็จ ฮีเลียมอีกตัวหนึ่งก็ถูกค้นพบว่าเป็นผลผลิตของการเปลี่ยนแปลงกัมมันตภาพรังสี ในปี 1900 เฟรเดอริค ดอร์น Oraz อังเดร-หลุยส์ เดเบิร์น พวกเขาสังเกตเห็นการปลดปล่อยก๊าซ (เช่นที่พวกเขาพูดในตอนนั้น) จากเรเดียมซึ่งพวกเขาเรียกว่า เรดอน. ในไม่ช้าก็สังเกตเห็นว่าการเล็ดลอดออกมายังปล่อยทอเรียมและแอกทิเนียม (ทอรอนและแอกตินอน) แรมเซย์และ เฟรเดอริค ซอดดี้ พิสูจน์ว่าเป็นธาตุเดียวและเป็นก๊าซมีตระกูลตัวต่อไปที่พวกเขาตั้งชื่อ niton (ละติน = เรืองแสงเพราะตัวอย่างก๊าซเรืองแสงในที่มืด) ในปีพ.ศ. 1923 ไนทอนกลายเป็นเรดอนซึ่งตั้งชื่อตามไอโซโทปที่มีอายุยาวนานที่สุด

การติดตั้งฮีเลียมครั้งสุดท้ายที่ทำให้ตารางธาตุจริงสมบูรณ์นั้นได้รับในปี 2006 ที่ห้องปฏิบัติการนิวเคลียร์ของรัสเซียใน Dubna ชื่อนี้ได้รับการอนุมัติเพียงสิบปีต่อมา โอกาเนสสันเพื่อเป็นเกียรติแก่นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ชาวรัสเซีย ยูริ โอกาเนเซียน. สิ่งเดียวที่รู้เกี่ยวกับธาตุใหม่คือธาตุใหม่นี้เป็นธาตุที่หนักที่สุดที่รู้จักและมีนิวเคลียสเพียงไม่กี่นิวเคลียสที่มีชีวิตอยู่ไม่ถึงมิลลิวินาที

ความคลาดเคลื่อนทางเคมี

ความเชื่อเรื่องความเฉื่อยทางเคมีของฮีเลียมพังทลายลงในปี 1962 เมื่อ Neil Bartlett เขาได้สารประกอบตามสูตร Xe [PtF₆]. เคมีของสารประกอบซีนอนในปัจจุบันค่อนข้างกว้างขวาง: ฟลูออไรด์ ออกไซด์ และแม้แต่เกลือที่เป็นกรดของธาตุนี้ก็เป็นที่ทราบกันดี นอกจากนี้ยังเป็นสารประกอบถาวรภายใต้สภาวะปกติ คริปทอนมีน้ำหนักเบากว่าซีนอน โดยก่อตัวเป็นฟลูออไรด์หลายชนิด เช่นเดียวกับเรดอนที่หนักกว่า (กัมมันตภาพรังสีในรุ่นหลังทำให้การวิจัยยากขึ้นมาก) ในทางกลับกัน ฮีเลียม นีออน และอาร์กอนที่เบาที่สุดสามชนิดไม่มีสารประกอบถาวร

สารประกอบทางเคมีของก๊าซมีตระกูลที่มีคู่อริที่มีเกียรติน้อยกว่าสามารถนำมาเปรียบเทียบกับความเข้าใจผิดแบบเก่าได้ วันนี้แนวคิดนี้ใช้ไม่ได้อีกต่อไปและไม่ควรแปลกใจที่ ...

เฮลิคอปเตอร์ จากซ้ายไปขวา: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) และ Morris Travers (1872–1961); ภาพเหมือนจากคอลเลคชันของ University College London

… ขุนนางทำงาน

ฮีเลียมได้มาจากการแยกอากาศที่เป็นของเหลวในพืชไนโตรเจนและออกซิเจน ในทางกลับกัน แหล่งที่มาของฮีเลียมส่วนใหญ่เป็นก๊าซธรรมชาติ ซึ่งมีปริมาณมากถึงสองสามเปอร์เซ็นต์ (ในยุโรป โรงงานผลิตฮีเลียมที่ใหญ่ที่สุดดำเนินงานใน โอโดลานูโวในจังหวัดมหานครโปแลนด์) อาชีพแรกของพวกเขาคือการส่องแสงในหลอดเรืองแสง ทุกวันนี้โฆษณานีออนยังดึงดูดสายตา แต่วัสดุฮีเลียมก็เป็นพื้นฐานของเลเซอร์บางประเภทเช่นกัน เช่น เลเซอร์อาร์กอนที่เราจะไปพบทันตแพทย์หรือช่างเสริมสวย

ภาพวาดของศิลปิน Xenon Ion Probe Dawn ใกล้ดาวเคราะห์น้อยเซเรส

ความเฉื่อยทางเคมีของการติดตั้งฮีเลียมใช้เพื่อสร้างบรรยากาศที่ป้องกันการเกิดออกซิเดชัน เช่น เมื่อเชื่อมโลหะหรือบรรจุภัณฑ์อาหารแบบปิดสนิท หลอดไฟที่เติมฮีเลียมจะทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น (นั่นคือส่องสว่างกว่า) และใช้ไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยปกติจะใช้อาร์กอนผสมกับไนโตรเจน แต่คริปทอนและซีนอนให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า การใช้ซีนอนครั้งล่าสุดเป็นวัสดุขับเคลื่อนในการขับเคลื่อนจรวดไอออนซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าการขับเคลื่อนด้วยสารเคมี ฮีเลียมที่เบาที่สุดเต็มไปด้วยลูกโป่งตรวจอากาศและลูกโป่งสำหรับเด็ก เมื่อผสมกับออกซิเจน นักดำน้ำจะใช้ฮีเลียมในการทำงานที่ระดับความลึกมาก ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงอาการเจ็บป่วยจากแรงกดทับ การประยุกต์ใช้ฮีเลียมที่สำคัญที่สุดคือการบรรลุอุณหภูมิต่ำที่จำเป็นสำหรับการทำงานของตัวนำยิ่งยวด

ส่วนผสมของออกซิเจนและฮีเลียมช่วยให้ดำน้ำได้อย่างปลอดภัย