Elementare Aristokratie

Jede Zeile des Periodensystems endet am Ende. Vor etwas mehr als hundert Jahren wurde ihre Existenz noch nicht einmal angenommen. Dann erstaunten sie die Welt mit ihren chemischen Eigenschaften bzw. ihrer Abwesenheit. Noch später erwiesen sie sich als logische Konsequenz der Naturgesetze. Edelgase.

Im Laufe der Zeit „traten sie in Aktion“ und in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts begann man, sie mit weniger edlen Elementen in Verbindung zu bringen. Beginnen wir die Geschichte der elementaren High Society so:

Vor langer Zeit…

… Da war ein Herr.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) in einer alten Skizze.

Henry Cavendish Er gehörte der höchsten britischen Aristokratie an, war aber daran interessiert, die Geheimnisse der Natur kennenzulernen. 1766 entdeckte er Wasserstoff und neunzehn Jahre später führte er ein Experiment durch, bei dem er ein weiteres Element finden konnte. Er wollte herausfinden, ob die Luft neben dem bereits bekannten Sauerstoff und Stickstoff noch weitere Bestandteile enthält. Er füllte ein gebogenes Glasrohr mit Luft, tauchte die Enden in Quecksilbergefäße und ließ zwischen ihnen elektrische Entladungen leiten. Durch die Funken verbindet sich der Stickstoff mit Sauerstoff und die entstehenden sauren Verbindungen werden von der Alkalilösung absorbiert. In Abwesenheit von Sauerstoff leitete Cavendish diesen in das Röhrchen ein und setzte das Experiment fort, bis der gesamte Stickstoff entfernt war. Der Versuch dauerte mehrere Wochen, in denen das Gasvolumen im Rohr ständig abnahm. Als der Stickstoff aufgebraucht war, entfernte Cavendish den Sauerstoff und stellte fest, dass die Blase immer noch existierte, was er auch vermutete ¹/₁₂₀ anfängliches Luftvolumen. Der Herr fragte nicht nach der Natur der Rückstände, da er die Wirkung für einen Erfahrungsfehler hielt. Heute wissen wir, dass er kurz vor der Eröffnung stand Argon, aber es dauerte mehr als ein Jahrhundert, bis das Experiment abgeschlossen war.

Sonnengeheimnis

Sonnenfinsternisse haben schon immer die Aufmerksamkeit sowohl der einfachen Leute als auch der Wissenschaftler auf sich gezogen. Am 18. August 1868 untersuchten Astronomen, die dieses Phänomen beobachteten, erstmals ein Spektroskop (das vor weniger als zehn Jahren entwickelt wurde), um Sonnenvorsprünge zu untersuchen, die durch eine dunkle Scheibe deutlich sichtbar waren. Französisch Pierre Janssen Damit bewies er, dass die Sonnenkorona hauptsächlich aus Wasserstoff und anderen Elementen der Erde besteht. Doch als er am nächsten Tag erneut die Sonne beobachtete, bemerkte er eine bisher unbeschriebene Spektrallinie in der Nähe der charakteristischen gelben Linie von Natrium. Janssen konnte es keinem damals bekannten Element zuordnen. Die gleiche Beobachtung wurde von einem englischen Astronomen gemacht normannisches Schließfach. Wissenschaftler haben verschiedene Hypothesen über den mysteriösen Bestandteil unseres Sterns aufgestellt. Lockyer gab ihm einen Namen Hochenergielaser, im Namen des griechischen Sonnengottes Helios. Die meisten Wissenschaftler glaubten jedoch, dass die gelbe Linie, die sie sahen, Teil des Wasserstoffspektrums bei den extrem hohen Temperaturen des Sterns war. 1881 ein italienischer Physiker und Meteorologe Luigi Palmieri untersuchte die vulkanischen Gase des Vesuvs mit einem Spektroskop. In ihrem Spektrum fand er eine gelbe Bande, die Helium zugeschrieben wird. Allerdings beschrieb Palmieri die Ergebnisse seiner Experimente vage und andere Wissenschaftler bestätigten sie nicht. Wir wissen jetzt, dass Helium in vulkanischen Gasen vorkommt, und Italien war möglicherweise tatsächlich das erste Land, das das terrestrische Heliumspektrum beobachtete.

Abbildung aus dem Jahr 1901, die den Apparat für das Cavendish-Experiment zeigt

Eröffnung mit der dritten Dezimalstelle

Zu Beginn des letzten Jahrzehnts des XNUMX. Jahrhunderts der englische Physiker Lord Rayleigh (John William Strutt) beschloss, die Dichte verschiedener Gase genau zu bestimmen, was es auch ermöglichte, die Atommassen ihrer Elemente genau zu bestimmen. Rayleigh war ein fleißiger Experimentator, also bezog er Gase aus einer Vielzahl von Quellen, um Verunreinigungen zu erkennen, die die Ergebnisse verfälschen würden. Es gelang ihm, den Bestimmungsfehler auf Hundertstel Prozent zu reduzieren, was damals sehr gering war. Die analysierten Gase zeigten die Einhaltung der ermittelten Dichte innerhalb des Messfehlers. Dies überraschte niemanden, da die Zusammensetzung chemischer Verbindungen nicht von ihrer Herkunft abhängt. Die Ausnahme war Stickstoff – nur hatte er je nach Herstellungsmethode eine andere Dichte. Stickstoff atmosphärisch (gewonnen aus Luft nach der Trennung von Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid) war schon immer schwerer als chemisch (erhalten durch Zersetzung seiner Verbindungen). Der Unterschied war seltsamerweise konstant und betrug etwa 0,1 %. Da Rayleigh dieses Phänomen nicht erklären konnte, wandte er sich an andere Wissenschaftler.

Hilfe von einem Apotheker angeboten William Ramsay. Beide Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass die einzige Erklärung das Vorhandensein einer Beimischung eines schwereren Gases im aus der Luft gewonnenen Stickstoff sei. Als sie auf die Beschreibung des Cavendish-Experiments stießen, hatten sie das Gefühl, auf dem richtigen Weg zu sein. Sie wiederholten das Experiment, diesmal mit moderner Ausrüstung, und bald hatten sie eine Probe eines unbekannten Gases in ihrem Besitz. Spektroskopische Analysen haben gezeigt, dass es getrennt von bekannten Substanzen existiert, und andere Studien haben gezeigt, dass es als separate Atome existiert. Bisher waren solche Gase nicht bekannt (wir haben O₂, N₂, H₂), also bedeutete das auch, ein neues Element zu öffnen. Rayleigh und Ramsay versuchten, ihn zu machen Argon (griech. = faul) mit anderen Substanzen reagieren, jedoch ohne Erfolg. Um die Temperatur seiner Kondensation zu bestimmen, wandten sie sich an den damals einzigen Menschen auf der Welt, der über die entsprechende Apparatur verfügte. Es war Karol Olszewski, Professor für Chemie an der Jagiellonen-Universität. Olshevsky verflüssigte und verfestigte Argon und bestimmte auch seine anderen physikalischen Parameter.

Der Bericht von Rayleigh und Ramsay im August 1894 erregte große Resonanz. Wissenschaftler konnten nicht glauben, dass Generationen von Forschern den 1-Prozent-Anteil der Luft vernachlässigt hatten, der auf der Erde in einer Menge vorhanden ist, die viel höher ist als beispielsweise Silber. Tests anderer haben die Existenz von Argon bestätigt. Die Entdeckung wurde zu Recht als große Errungenschaft und Triumph sorgfältiger Experimente angesehen (man sagte, das neue Element sei in der dritten Dezimalstelle verborgen). Allerdings hatte niemand damit gerechnet, dass es ...

… Eine ganze Familie von Gasen.

Heliumgruppe (Ordnungszahl oben, Atommasse unten).

Noch bevor die Atmosphäre gründlich analysiert worden war, interessierte sich Ramsay ein Jahr später für einen Artikel in einer geologischen Fachzeitschrift, in dem über die Freisetzung von Gas aus Uranerzen bei Einwirkung von Säure berichtet wurde. Ramsay versuchte es erneut, untersuchte das entstehende Gas mit einem Spektroskop und sah unbekannte Spektrallinien. Beratung mit William Crooks, ein Spezialist für Spektroskopie, kam zu dem Schluss, dass es schon lange auf der Erde gesucht wurde Hochenergielaser. Jetzt wissen wir, dass es sich hierbei um eines der Zerfallsprodukte von Uran und Thorium handelt, die in den Erzen natürlicher radioaktiver Elemente enthalten sind. Ramsay bat Olszewski erneut, das neue Gas zu verflüssigen. Allerdings war die Anlage dieses Mal nicht in der Lage, ausreichend niedrige Temperaturen zu erreichen, und flüssiges Helium wurde erst 1908 gewonnen.

Auch Helium erwies sich als einatomiges und inaktives Gas wie Argon. Die Eigenschaften beider Elemente passten in keine Familie des Periodensystems und es wurde beschlossen, für sie eine eigene Gruppe zu erstellen. [helowce_uklad] Ramsay kam zusammen mit seinem Kollegen zu dem Schluss, dass darin Lücken bestehen Morris Travers begann mit weiteren Recherchen. Durch die Destillation flüssiger Luft entdeckten Chemiker 1898 drei weitere Gase: Neon (gr. = neu), Krypton (gr. = skryty)i Xenon (Griechisch = fremd). Sie alle sind zusammen mit Helium in minimalen Mengen in der Luft vorhanden, viel weniger als Argon. Die chemische Passivität der neuen Elemente veranlasste die Forscher, ihnen einen gemeinsamen Namen zu geben. Edelgase. 

Nach erfolglosen Versuchen, sich aus der Luft zu trennen, wurde ein weiteres Helium als Produkt radioaktiver Umwandlungen entdeckt. In 1900 Friedrich Dorn Oraz Andre-Louis Debirne Sie bemerkten die Freisetzung von Gas (Emanation, wie sie damals sagten) aus Radium, das sie nannten Radon. Es stellte sich bald heraus, dass die Emanationen auch Thorium und Actinium (Thoron und Actinon) emittieren. Ramsay und Frederick Soddy bewiesen, dass sie ein Element sind und das nächste Edelgas sind, das sie benannt haben Niton (lateinisch = leuchten, weil die Gasproben im Dunkeln leuchteten). Im Jahr 1923 wurde aus Nithon schließlich Radon, benannt nach dem langlebigsten Isotop.

Die letzte Heliumanlage, die das eigentliche Periodensystem abschließt, wurde 2006 im russischen Nuklearlabor in Dubna beschafft. Der Name, der erst zehn Jahre später genehmigt wurde, Oganesson, zu Ehren des russischen Kernphysikers Yuri Oganesyan. Über das neue Element ist nur bekannt, dass es das schwerste bisher bekannte ist und dass nur wenige Kerne entstanden sind, die weniger als eine Millisekunde gelebt haben.

Chemische Missallianzen

Der Glaube an die chemische Passivität von Helium brach 1962 zusammen, als Neil Bartlett er erhielt eine Verbindung der Formel Xe [PtF₆]. Die Chemie der Xenonverbindungen ist heute recht umfangreich: Fluoride, Oxide und sogar saure Salze dieses Elements sind bekannt. Darüber hinaus sind sie unter normalen Bedingungen dauerhafte Verbindungen. Krypton ist leichter als Xenon, bildet mehrere Fluoride, ebenso wie das schwerere Radon (dessen Radioaktivität die Forschung deutlich erschwert). Andererseits haben die drei leichtesten – Helium, Neon und Argon – keine permanenten Verbindungen.

Chemische Verbindungen von Edelgasen mit weniger edlen Partnern können mit alten Mesallianzen verglichen werden. Heute ist dieses Konzept nicht mehr gültig und man sollte sich nicht wundern, dass ...

Hubschrauber, von links nach rechts: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) und Morris Travers (1872–1961); Porträt aus der Sammlung des University College London.

… Aristokraten arbeiten.

Helium wird durch die Trennung von verflüssigter Luft in Stickstoff- und Sauerstoffanlagen gewonnen. Die Heliumquelle hingegen ist hauptsächlich Erdgas, in dem es bis zu einigen Prozent des Volumens ausmacht (in Europa ist die größte Heliumproduktionsanlage in Betrieb). Ich habe mich gewehrt, in der Woiwodschaft Großpolen). Ihre erste Beschäftigung bestand darin, in leuchtenden Röhren zu leuchten. Heutzutage ist Neonwerbung immer noch ein Augenschmaus, aber Heliummaterialien sind auch die Grundlage einiger Lasertypen, wie zum Beispiel des Argonlasers, den wir beim Zahnarzt oder bei der Kosmetikerin antreffen.

Künstlerische Darstellung der Xenon-Ionen-Sonde Dawn in der Nähe des Asteroiden Ceres.

Die chemische Passivität von Heliumanlagen wird genutzt, um beispielsweise beim Schweißen von Metallen oder hermetischen Lebensmittelverpackungen eine vor Oxidation schützende Atmosphäre zu schaffen. Mit Helium gefüllte Lampen arbeiten bei einer höheren Temperatur (d. h. sie leuchten heller) und nutzen den Strom effizienter. Normalerweise wird Argon mit Stickstoff gemischt verwendet, aber Krypton und Xenon liefern noch bessere Ergebnisse. Die neueste Verwendung von Xenon ist als Antriebsmaterial im Ionenraketenantrieb, der effizienter ist als der chemische Treibmittelantrieb. Das leichteste Helium ist gefüllt mit Wetterballons und Luftballons für Kinder. In einer Mischung mit Sauerstoff wird Helium von Tauchern verwendet, um in großen Tiefen zu arbeiten, was hilft, Dekompressionskrankheiten zu vermeiden. Die wichtigste Anwendung von Helium besteht darin, die für die Funktion von Supraleitern erforderlichen niedrigen Temperaturen zu erreichen.

Das Sauerstoff-Helium-Gemisch sorgt für sicheres Tauchen.