Aristocrazia elementare

Ogni riga della tavola periodica termina alla fine. Poco più di cento anni fa, la loro esistenza non era nemmeno ipotizzata. Poi hanno stupito il mondo con le loro proprietà chimiche, o meglio la loro assenza. Anche in seguito si sono rivelate una logica conseguenza delle leggi della natura. gas nobili.

Col tempo "entrarono in azione" e nella seconda metà del secolo scorso iniziarono ad essere associati a elementi meno nobili. Iniziamo così la storia dell'alta società elementare:

Tanto tempo fa…

... C'era un signore.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) in un vecchio schizzo.

Henry Cavendish apparteneva alla più alta aristocrazia britannica, ma era interessato ad apprendere i segreti della natura. Nel 1766 scoprì l'idrogeno e diciannove anni dopo condusse un esperimento in cui riuscì a trovare un altro elemento. Voleva scoprire se l'aria contiene altri componenti oltre all'ossigeno e all'azoto già noti. Riempì d'aria un tubo di vetro piegato, ne immerse le estremità in recipienti di mercurio e fece passare scariche elettriche tra di loro. Le scintille hanno causato la combinazione dell'azoto con l'ossigeno e i composti acidi risultanti sono stati assorbiti dalla soluzione alcalina. In assenza di ossigeno, Cavendish lo alimentò nella provetta e continuò l'esperimento fino a rimuovere tutto l'azoto. L'esperimento è durato diverse settimane, durante le quali il volume di gas nel tubo era in costante diminuzione. Una volta esaurito l'azoto, Cavendish ha rimosso l'ossigeno e ha scoperto che la bolla esisteva ancora, cosa che stimò fosse ¹/₁₂₀ volume d'aria iniziale. Il Signore non ha chiesto la natura dei residui, considerando l'effetto un errore dell'esperienza. Oggi sappiamo che era molto vicino all'apertura argo, ma ci è voluto più di un secolo per completare l'esperimento.

mistero solare

Le eclissi solari hanno sempre attirato l'attenzione sia della gente comune che degli scienziati. Il 18 agosto 1868, gli astronomi che osservarono questo fenomeno usarono per la prima volta uno spettroscopio (progettato meno di dieci anni fa) per studiare le protuberanze solari, chiaramente visibili con un disco oscurato. francese Pierre Janssen in questo modo dimostrò che la corona solare è costituita principalmente da idrogeno e altri elementi della terra. Ma il giorno successivo, osservando nuovamente il Sole, notò una linea spettrale precedentemente non descritta situata vicino alla caratteristica linea gialla del sodio. Janssen non è stato in grado di attribuirlo a nessun elemento noto all'epoca. La stessa osservazione è stata fatta da un astronomo inglese Armadietto Normanno. Gli scienziati hanno avanzato varie ipotesi sulla misteriosa componente della nostra stella. Lockyer lo ha chiamato laser ad alta energia, a nome del dio greco del sole - Helios. Tuttavia, la maggior parte degli scienziati riteneva che la linea gialla che vedevano facesse parte dello spettro dell'idrogeno alle temperature estremamente elevate della stella. Nel 1881, fisico e meteorologo italiano Luigi Palmieri ha studiato i gas vulcanici del Vesuvio utilizzando uno spettroscopio. Nel loro spettro, ha trovato una banda gialla attribuita all'elio. Tuttavia, Palmieri ha descritto vagamente i risultati dei suoi esperimenti e altri scienziati non li hanno confermati. Ora sappiamo che l'elio si trova nei gas vulcanici e l'Italia potrebbe infatti essere stata la prima ad osservare lo spettro dell'elio terrestre.

Illustrazione del 1901 che mostra l'apparato per l'esperimento Cavendish

Apertura al terzo decimale

All'inizio dell'ultimo decennio del XIX secolo, il fisico inglese Lord Rayleigh (John William Strutt) ha deciso di determinare con precisione le densità di vari gas, il che ha anche permesso di determinare con precisione le masse atomiche dei loro elementi. Rayleigh era un diligente sperimentatore, quindi ottenne gas da un'ampia varietà di fonti per rilevare impurità che avrebbero falsificato i risultati. Riuscì a ridurre l'errore di determinazione a centesimi di punto percentuale, che a quel tempo era molto piccolo. I gas analizzati hanno mostrato conformità con la densità determinata all'interno dell'errore di misura. Questo non ha sorpreso nessuno, poiché la composizione dei composti chimici non dipende dalla loro origine. L'eccezione era l'azoto, solo che aveva una densità diversa a seconda del metodo di produzione. Azoto atmosferico (ottenuto dall'aria dopo la separazione di ossigeno, vapore acqueo e anidride carbonica) è sempre stato più pesante di chimico (ottenuto per decomposizione dei suoi composti). La differenza, stranamente, era costante e ammontava a circa lo 0,1%. Rayleigh, incapace di spiegare questo fenomeno, si rivolse ad altri scienziati.

Aiuto offerto da un chimico William Ramsay. Entrambi gli scienziati hanno concluso che l'unica spiegazione era la presenza di una miscela di un gas più pesante nell'azoto ottenuto dall'aria. Quando si sono imbattuti nella descrizione dell'esperimento di Cavendish, hanno sentito di essere sulla strada giusta. Hanno ripetuto l'esperimento, questa volta utilizzando apparecchiature moderne, e presto hanno avuto un campione di un gas sconosciuto in loro possesso. L'analisi spettroscopica ha dimostrato che esiste separatamente dalle sostanze conosciute e altri studi hanno dimostrato che esiste come atomi separati. Finora tali gas non erano noti (abbiamo O₂, N₂, H₂), quindi ciò significava anche aprire un nuovo elemento. Rayleigh e Ramsay hanno cercato di farlo argo (Greco = pigro) reagire con altre sostanze, ma inutilmente. Per determinare la temperatura della sua condensazione, si sono rivolti all'unica persona al mondo in quel momento che avesse l'apparato appropriato. Era Karol Olszewski, professore di chimica all'Università Jagellonica. Olshevsky ha liquefatto e solidificato l'argon e ha anche determinato i suoi altri parametri fisici.

Il rapporto di Rayleigh e Ramsay nell'agosto 1894 suscitò grande risonanza. Gli scienziati non potevano credere che generazioni di ricercatori avessero trascurato la componente dell'1% dell'aria, che è presente sulla Terra in quantità molto maggiore, ad esempio, dell'argento. Test di altri hanno confermato l'esistenza dell'argon. La scoperta è stata giustamente considerata un grande risultato e un trionfo di attenta sperimentazione (si diceva che il nuovo elemento fosse nascosto nella terza cifra decimale). Tuttavia, nessuno si aspettava che ci sarebbe stato ...

… Un'intera famiglia di gas.

Gruppo elio (numero atomico in alto, massa atomica in basso).

Anche prima che l'atmosfera fosse analizzata a fondo, un anno dopo, Ramsay si interessò a un articolo di una rivista di geologia che riportava il rilascio di gas dai minerali di uranio quando esposti all'acido. Ramsay ha riprovato, ha esaminato il gas risultante con uno spettroscopio e ha visto linee spettrali sconosciute. Consultazione con William Crooks, specialista in spettroscopia, ha portato alla conclusione che è stato a lungo cercato sulla Terra laser ad alta energia. Ora sappiamo che questo è uno dei prodotti di decadimento dell'uranio e del torio, contenuto nei minerali degli elementi radioattivi naturali. Ramsay ha chiesto di nuovo a Olszewski di liquefare il nuovo gas. Tuttavia, questa volta l'apparecchiatura non era in grado di raggiungere temperature sufficientemente basse e l'elio liquido non fu ottenuto fino al 1908.

Anche l'elio si è rivelato essere un gas monoatomico e inattivo, come l'argon. Le proprietà di entrambi gli elementi non rientravano in nessuna famiglia della tavola periodica e si decise di creare un gruppo separato per loro. [helowce_uklad] Ramsay è giunto alla conclusione che ci sono delle lacune, e insieme al suo collega Morrisem Traversem avviato ulteriori ricerche. Distillando l'aria liquida, i chimici scoprirono altri tre gas nel 1898: neon (gr. = nuovo), krypton (gr. = skryty) i xeno (Greco = straniero). Tutti loro, insieme all'elio, sono presenti nell'aria in quantità minime, molto inferiori all'argon. La passività chimica dei nuovi elementi ha spinto i ricercatori a dar loro un nome comune. gas nobili. 

Dopo tentativi falliti di separarsi dall'aria, è stato scoperto un altro elio come prodotto di trasformazioni radioattive. Nel 1900 Federico Dorn Oraz André-Louis Debern notarono il rilascio di gas (emanazione, come si diceva allora) dal radio, che chiamarono radon. Si è presto notato che le emanazioni emettono anche torio e attinio (thoron e actinon). Ramsay e Federico Soddy dimostrato che sono un elemento e sono il prossimo gas nobile che hanno chiamato nitone (Latino = brillare perché i campioni di gas brillavano nell'oscurità). Nel 1923, il nithon divenne finalmente radon, dal nome dell'isotopo più longevo.

L'ultima delle installazioni di elio che chiudono la vera tavola periodica è stata ottenuta nel 2006 presso il laboratorio nucleare russo di Dubna. Il nome, approvato solo dieci anni dopo, Oganesson, in onore del fisico nucleare russo Yuri Oganesyan. L'unica cosa nota del nuovo elemento è che è il più pesante finora conosciuto e che sono stati ottenuti solo pochi nuclei che hanno vissuto per meno di un millisecondo.

Disallineamenti chimici

La credenza nella passività chimica dell'elio è crollata nel 1962 quando Neil Bartlett ottenne un composto di formula Xe [PtF₆]. La chimica dei composti dello xeno oggi è piuttosto ampia: sono noti fluoruri, ossidi e persino sali acidi di questo elemento. Inoltre, sono composti permanenti in condizioni normali. Il krypton è più leggero dello xeno, forma diversi fluoruri, così come il più pesante radon (la radioattività di quest'ultimo rende la ricerca molto più difficile). D'altra parte, i tre più leggeri - elio, neon e argon - non hanno composti permanenti.

I composti chimici di gas nobili con partner meno nobili possono essere paragonati alle vecchie disallineamenti. Oggi questo concetto non è più valido e non c'è da stupirsi che ...

Elicotteri, da sinistra a destra: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) e Morris Travers (1872–1961); ritratto dalla collezione dell'University College London.

… lavorano gli aristocratici.

L'elio si ottiene separando l'aria liquefatta nelle piante di azoto e ossigeno. La fonte dell'elio è invece principalmente il gas naturale, di cui arriva fino a una piccola percentuale del volume (in Europa opera il più grande impianto di produzione di elio in Superato, nel Voivodato della Grande Polonia). La loro prima occupazione fu quella di brillare in tubi luminosi. Al giorno d'oggi la pubblicità al neon è ancora piacevole alla vista, ma i materiali dell'elio sono anche la base di alcune tipologie di laser, come il laser ad argon che incontreremo dal dentista o dall'estetista.

Rappresentazione artistica della sonda ionica allo xeno dell'alba vicino all'asteroide Cerere.

La passività chimica delle installazioni di elio viene utilizzata per creare un'atmosfera che protegge dall'ossidazione, ad esempio durante la saldatura di metalli o imballaggi alimentari ermetici. Le lampade riempite di elio funzionano a una temperatura più elevata (ovvero, brillano più intensamente) e utilizzano l'elettricità in modo più efficiente. Di solito si usa argon miscelato con azoto, ma kripton e xeno danno risultati ancora migliori. L'ultimo utilizzo dello xeno è come materiale di propulsione nella propulsione di razzi ionici, che è più efficiente della propulsione a propellente chimico. L'elio più leggero è pieno di palloni meteorologici e palloncini per bambini. In una miscela con l'ossigeno, l'elio viene utilizzato dai subacquei per lavorare a grandi profondità, il che aiuta a evitare la malattia da decompressione. L'applicazione più importante dell'elio è raggiungere le basse temperature richieste per il funzionamento dei superconduttori.

La miscela ossigeno-elio garantisce immersioni sicure.