Путешествие в Страну элементов

Итак, химическая стойкость — вот что отличает членов «благородного семейства». В этом смысле вполне сравнимы между собой платиноиды с одной стороны, а с другой — золото и серебро. У всех у них есть и другие полезные свойства, например тугоплавкость, пластичность, красивый внешний вид. Наконец, одним из важнейших качеств является способность, особенно у некоторых платиноидов, ускорять химические реакции. За все это и называют люди наши металлы драгоценными.

Валентность, равная нулю

Везде и всюду нас окружает атмосферный воздух. Из чего он состоит? Ответ не составляет труда: из 78,08 процента азота, 20,9 процента кислорода, 0,03 процента углекислого газа, 0,00 005 процента водорода, около 0,94 процента приходится на долю так называемых инертных газов. Последние были открыты всего лишь в конце прошлого столетия.

Опыт Кэвендиша

К концу XVIII века были обнаружены многие из известных газов. К ним относились: кислород — газ, поддерживающий горение; углекислый газ — его можно было легко обнаружить по весьма примечательному свойству: он мутил известковую воду; и, наконец, азот, горения не поддерживающий и на известковую воду не действующий. Таков был в представлении химиков того времени состав атмосферы, и никто, кроме известного английского ученого лорда Кэвендиша, не сомневался в этом.

И у него был повод для сомнения.

В 1785 году он проделал довольно простой опыт. Прежде всего Кэвендиш удалил из воздуха углекислый газ. На оставшуюся смесь азота и кислорода он подействовал электрической искрой. Азот, реагируя с кислородом, давал бурые пары окислов азота, которые, растворяясь в воде, превращались в азотную кислоту. Эта операция повторялась многократно.

Однако немного менее одной сотой части объема воздуха, взятого для опыта, оставалось неизменной. К сожалению, этот эпизод был забыт на многие годы.

Спустя сто лет

Во второй половине XIX века возникла горячая полемика по поводу гипотезы Проута, утверждавшего, что атомные веса всех элементов должны выражаться целыми числами, то есть атомы их должны, по мнению Проута, состоять из атомов водорода. Чтобы решить спор, химики сочли необходимым точно измерить атомные веса элементов, в первую очередь газов азота, кислорода и водорода.

Путь к определению атомных и молекулярных весов газов лежал через определение их плотностей.

В 1892 году английский физик Рэлей измерял удельный вес азота. К своему удивлению, он обнаружил, что удельный вес азота воздуха равен 1,257 г/л, а удельный вес азота из химических соединений: азотнокислого аммония, закиси и окиси азота, мочевины — только 1,251 г/л. Рэлей повторял опыты, брал различные вещества, содержащие азот, но результат был тем же самым. Шесть тысячных грамма — вес блохи. Но эти шесть тысячных грамма не могли быть ошибкой опыта, ибо техника измерений уже в то время позволяла оперировать с гораздо меньшими величинами.

Осенью 1892 года Рэлей обратился к ученым коллегам с письмом. Он просил их указать причину обнаруженного им несовпадения. Опытами Рэлея заинтересовался английский физико-химик Рамзай. Он предположил, что причина неодинаковой плотности заключается в присутствии неизвестного тяжелого газа, и сообщил об этом Рэлею.

Ученые решили выделить таинственный газ, но пути к обнаружению его они выбрали разные. Рамзай обратился за помощью к химии.

Во время своих многолетних демонстрационных опытов он заметил, что магниевые опилки поглощают азот. «Магний поможет решить задачу», — думал Рамзай. Он поглотил кислород воздуха медью. Оставшийся азот в течение 10 дней прогонял многократно через трубку с раскаленным магнием. Объем газа уменьшался изо дня в день, а его плотность возрастала. Через 10 дней в руках Рамзая было 100 кубических сантиметров нового газа с плотностью 19,086.

Рэлей в своих исследованиях использовал физические методы. От своего друга физика Дьюара он узнал об опытах Кэвендиша. Рэлей повторил опыт Кэвендиша, применив гораздо более совершенную аппаратуру. Азот окислялся в 50-литровом колоколе.

Через несколько дней Рэлей получил половину кубического сантиметра неизвестного газа.

Итак, новый газ был в руках. 13 августа 1894 года физик Рэлей и химик Рамзай сделали предварительное сообщение на съезде Британского общества естествоиспытателей в Оксфорде об открытии новой составной части воздуха. Один физик, прослушав сообщение, спросил: «Не открыли ли вы, господа, и имени этого газа?»

Вопрос не был праздным. Открыть новое вещество — это еще не все. Надо изучить его, узнать, соединение это или элемент. Каковы его характерные свойства? Название ведь обычно выражает наиболее характерную особенность вещества.

Рамзай, основываясь на кинетической теории газов, нашел, что молекула нового газа состоит из одного атома. Следовательно, если газ одноатомен, то соединением он быть не может. Новый газ был элементом.