Текст книги "Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 47 страниц)

Неон

Неон был открыт Рамзаем в 1898 г. В истории элементов этой подгруппы последнее десятилетие прошлого века – это время, чрезвычайно насыщенное открытиями. Среди их авторов много известных ученых, причем не только химиков. Но два имеет должны быть названы в первую очередь – имена английских естествоиспытателей Рэлея и Рамзая.

«Не кажется ли вам, что есть место для газообразных элементов в конце первой колонны периодической системы, т. е. между галогенами и щелочными металлами?» Это слова из письма Рамзая Рэлею. Письмо было написано, когда из всех инертных газов науке были известны лишь гелий и аргон. Место гелия обозначилось в конце первого периода. Аргон заключил третий. А второй?

В 1897 г. Рамзай выступил в Торонто с докладом под названием «Неоткрытый газ». Пользуясь «методом нашего учителя Менделеева», как выразился ученый, он предсказал существование простого газа с плотностью по водороду 10, атомным весом 20 и иными, промежуточными между He и Ar константами. Двумя годами раньше, правда не столь детально, существование газообразного элемента с атомным весом 20 предсказал, также исходя из закона Менделеева, французский химик Лекок де Буабодран. Но где искать этот дважды предсказанный элемент?

Вначале Рамзай и его сотрудники занялись минералами, природными водами, даже метеоритами. Результаты анализов неизменно оказывались отрицательными. Между тем – теперь мы это знаем – новый газ в них был. Но методами, существовавшими в конце прошлого века, эти «микроследы» не улавливались.

Исследователи обратились к воздуху. Воздух сжижали, а затем начинали медленно испарять, собирая и исследуя различные фракции. Одним из методов поиска был спектральный анализ: газ помещали в разрядную трубку, подключали ток и по линиям спектра определяли «кто есть кто».

Уильям Рамзай (1852—1916) – английский химик и физик, продавившийся своими работами по недеятельным газам. Самостоятельно или в соавторстве с другими исследователями он открыл неон, аргон и другие газы, которые до последнего времени называли (да и сейчас еще называют) инертными

Когда в разрядную трубку поместили первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха, то в спектре наряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаружены новые линии, из них особенно яркими были красные и оранжевые. Они придавали свету в трубке огненную окраску.

В момент, когда Рамзай наблюдал спектр только что полученного газа, в лабораторию вошел его двенадцатилетний сын, успевший стать «болельщиком» отцовых работ. Увидев необычное свечение, он воскликнул: «new one!» Так возникло название газа «неон», что по-древнегречески значит «новый».

Между аргоном и гелием

У атома неона замкнутая электронная оболочка: на двух энергетических уровнях находятся соответственно 2 и 8 электронов. Химическая инертность неона исключительна. В этом с ним может конкурировать только гелий. Пока не получено ни одного его валентного соединения. Даже так называемые клатратные соединения неона с водой, гидрохиноном и другими веществами[6]6
  Подобные соединения тяжелых благородных газов – радона, ксенона, криптона и даже аргона – широко известны.


[Закрыть] получить и сохранить очень трудно.

В общем-то неон – легкий газ: он легче воздуха в 1,44 раза, легче аргона почти в 2 раза, но тяжелее гелия в 5 раз. По комплексу свойств он ближе к гелию, чем к аргону, и вместе с гелием составляет подгруппу легких инертных газов.

Неон сжижается при температуре – 245,98°С. А точка плавления неона отстоит от точки кипения всего на 2,6°С – рекордно малый диапазон, свидетельствующий о слабости сил межмолекулярного взаимодействия в неоне. Благодаря этому твердый неон получается без особого труда: достаточно недолго откачивать пары над жидким неоном, чтобы он отвердел.

Растворимость в воде и способность к адсорбции у неона малы; в 100 г воды при 20°С растворяется всего 1,75 см³, или 1,56 мг, неона. Все же адсорбция неона на активированном угле при температуре жидкого воздуха уже достаточна, чтобы с ее помощью, многократно повторяя процесс, разделить смесь гелия и неона. При температуре жидкого водорода из смеси этих веществ выпадают кристаллы чистого неона, а газообразный гелий отгоняется. Технике это дало второй – конденсационный способ разделения гелия и неона.

Радиус атома неона – 1,62 Аº – достаточно мал, чтобы этот газ мог в тысячи раз быстрее большинства газов диффундировать сквозь тонкие перегородки из кварцевого или боросиликатного стекла (если последние нагреты до 300—400°С, а по обе стороны имеется существенный перепад давления). Сквозь такие перегородки неон проникает примерно в 50 раз хуже, чем гелий, но в сотни тысяч раз лучше, чем аргон, азот и кислород. Именно поэтому диффузионный способ позволяет очищать неон от более тяжелых газов.

Известно, что тяжелые инертные газы оказывают на организм человека и животного наркотическое действие. Неону это свойство также присуще, но в очень малой степени, так как мала растворимость неона в жирах, крови, лимфе и других жидкостях организма.

Чтобы появились первые симптомы наркоза, необходимо вдыхать смесь неона с кислородом под давлением не меньше 25 атм.

Для неона характерны также высокая электрическая проводимость и яркое свечение при пропускании электрических разрядов.

Есть у неона черта, резко выделяющая его среди других благородных газов. Это – ярко-красный цвет излучения, причем интенсивность и оттенки свечения неона сильно зависят от напряжения тока, создающего электрический разряд, и примесей других газов.

Спектр неона богат, в нем выделено более 900 линий. Наиболее яркие линии составляют пучок в красной, оранжевой и желтой частях спектра на волнах от 6599 до 5400 Аº. Эти лучи значительно меньше поглощаются и рассеиваются воздухом и взвешенными в нем частицами, чем лучи коротких волн – голубые, синие, фиолетовые. Оттого свет неоновых ламп виден лучше и дальше, чем свет иных источников, и словосочетание «неоновый свет реклам» стало избитым газетным штампом.

Как работает газосветная лампа и почему светится трубка с неоном? Под действием электрического поля разреженный неон превращается в смесь атомов, ионов и электронов. Положительные ионы – главным образом Ne⁺ – движутся к аноду, а электроны – к катоду, что создает электрический ток. Сталкиваясь с атомами, быстро движущиеся электроны возбуждают их; отсюда и свечение газа – результат отдачи возбужденными атомами части своей энергии в виде фотонов света.

У нас и в космосе

Неон находят повсюду – «на Земле, в небесах и на море». Наибольшая концентрация его в атмосфере – 0,00182% по объему. А всего на нашей планете около 6,6∙10¹⁰ т неона.

У элемента № 10 три стабильных изотопа: ²⁰Ne, ²¹Ne и ²²Ne. Повсеместно преобладает легкий ²⁰Ne. В воздушном неоне его 90,92%, на долю ²¹Ne приходится 0,257%, а на долю ²²Ne – 8,82%.

Среднее содержание неона в земной коре мало – всего 7∙10^-5 г/т. В изверженных породах, составляющих основную массу литосферы, около 3 млрд. т неона. Отсюда, по мере разрушения пород, неон улетучивается в атмосферу. В меньшей мере атмосферу снабжают неоном и природные воды.

Как видно из диаграмм, помещенных на странице 32, неон – самый малочисленный обитатель Земли из всех элементов своего периода. Это характерно для всех инертных газов, несмотря на то что элементам с четными номерами обычно присуща большая распространенность. «Земная» диаграмма резко контрастирует с «космической»: в газовых туманностях и некоторых звездах неона в миллионы раз больше, чем на Земле.

Концентрации неона в мировой материи неравномерна, в целом же по распространенности во Вселенной он занимает пятое или шестое место среди всех элементов. Неон обильно представлен в горячих звездах – красных гигантах, в газовых туманностях, в атмосфере внешних планет солнечной системы – Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна. В 1974 г. американский астроном М. Харт установил, что атмосфера далекого Плутона в нижних слоях примерно так же плотна, как земная. Учитывая низкую температуру атмосферы Плутона (около 40 К) Харт вычислил, что в этой атмосфере преобладает неон.

Причину неоновой бедности нашей планеты ученые усматривают в том, что некогда Земля потеряла свою первичную атмосферу, которая и унесла с собой основную массу инертных газов. Они ведь не могли, как кислород и другие газы, химически связаться с другими элементами в минералы и тем самым закрепиться на планете.

До сих пор точно не выяснен источник главенствующего на Земле легкого изотопа ²⁰Ne. Во многих альфа-активных минералах относительное содержание тяжелых ²¹Ne и ²²Ne в десятки и сотни раз больше содержания их в воздухе. Уже одно колебание содержания изотопов неона в минералах убеждает, что по меньшей мере часть неона-21 и неона-22 возникла в глубинах Земли; образовались эти изотопы в ядерных превращениях. Одно из них доказано бесспорно: это захват альфа-частиц ядрами тяжелого кислорода ¹⁸O:

¹⁸₈O + ⁴₂He → ²¹₁₀Ne + ¹₀n.

Вероятно, и неон, подобно водороду и гелию, но только очень медленно, отлетает из атмосферы в космос. Однако существующие методы исследования недостаточно тонки, чтобы экспериментально подтвердить это положение; полагают, что слои атомарного кислорода и гелия в верхней атмосфере Земли содержат примесь неона.

Считается, что в космосе, как и на Земле, преобладает легкий изотоп ²⁰Ne. Правда, в метеоритах находят немало ²¹Ne и ²²Ne, но предполагают, что эти изотопы образовались в самих метеоритах, покуда те странствовали во Вселенной под обстрелом космических лучей.

Из чего возник мировой неон? Этот вопрос – часть общей проблемы происхождения химических элементов во Вселенной. Физики подсчитали, что ядро неона-20, как и ядра других легких элементов с массовыми числами, кратными четырем, легче всего получается при слиянии ядер гелия на горячих звездах, где температура достигает 150 миллионов градусов и давления колоссальны…

Как получают неон

Воздух – единственный реальный источник неона. В процессе разделения воздуха низкотемпературной ректификацией самые летучие его компоненты – гелий и неон – уходят в первую фракцию. Ее отбирают из-под крышки конденсатора воздухоразделительного аппарата.

В этой первичной смеси неона с гелием – от 3 до 10% (остальное – азот). Это вполне естественно, ведь в 1000 л воздуха неона только 18,2 см³, а гелия 5 см³. Смесь направляют в дефлегматор, где большая часть азота конденсируется, и содержание неона и гелия в смеси повышается до 35 – 40%. В другом аппарате – дефлегматоре-адсорбере, где конденсация азота сочетается с адсорбцией, удается почти полностью освободиться от азота. В зависимости от степени очистки получаемая неоно-гелиевая смесь содержит 30—75% Ne и 10—25% He.

В СССР баллоны с неоно-гелиевой смесью окрашивают в светло-коричневый цвет с белой надписью, а баллоны с одним неоном – в черный цвет с желтой полосой.

Техника обычно довольствуется неоно-гелиевой смесью, но иногда нужен и чистый неон. Поэтому смесь легких инертных газов разделяют адсорбционно-термическим методом на угле при глубоком холоде или замораживают неон до твердого состояния.

В Тбилиси в Институте стабильных изотопов диффузионными методами получают индивидуальные изотопы неона. Они нужны для научных экспериментов; Так, в Дубне с помощью ионов ²²Ne были синтезированы 102-й и 104-й элементы. Это, можно сказать, самая современная профессия неона. Самая современная, но далеко не единственная.

Для чего нужен неон

Еще недавно электровакуумная промышленность и научные лаборатории были единственными потребителями неона. Их нужды могли удовлетворить отделения неоногелиевой смеси установок малой и средней мощности.

В последние годы положение стало меняться. На неон как хладагент предъявляет спрос интенсивно развивающаяся криогенная техника, и ей нужно куда больше неона, чем традиционным потребителям. Впрочем, понятие о количествах тут относительное. Даже на установке, перерабатывающей в час 170 тыс. м³ воздуха, за сутки получают всего восемь сорокалитровых баллонов неона (под давлением 150 атм). Сегодня спрос на неон превышает его производство.

Какие качества неона привлекли к нему внимание криогенщиков? Определенную роль играет нехватка гелия, что заставило искать заменяющие его холодные жидкости. Сжиженный неон создает холод на уровне 43—27° абсолютной шкалы. Этого достаточно для криогенной радиоэлектроники (детекторы инфракрасного излучения, мазеры, лазеры) и отраслей электротехники, которые используют в качестве сверхпроводников сплавы с высокими критическими температурами перехода. Правда, такой и даже более сильный холод может дать и жидкий водород, но его применение чревато опасностью взрывов.

Жидкий неон взрывобезопасен, и, кроме того, у него есть сугубо индивидуальные достоинства. Он тяжелее воды, его скрытая теплота испарения в два раза больше, чем у водорода, и раз в двадцать больше, чем у гелия. Оттого малы потери неона: в современных криостатах он хорошо сохраняется в течение многих месяцев. Неон отводит в 3,3 раза больше тепла, чем такое же по объему количество жидкого водорода, а если пользоваться твердым неоном, то еще на 20% больше.

В неоновом криостате можно с большой точностью регулировать температуру. Для этого достаточно только поддерживать заданное давление: даже при малых изменениях температуры резко меняется упругость паров над жидким неоном.

При температурах жидкого неона хранят ракетное топливо. В жидком неоне замораживают свободные радикалы, консервируют животные ткани и имитируют условия космического пространства в термобарокамерах. В неоновых криостатах безопасно проводить такие деликатные, не терпящие тепла реакции, как прямой синтез H₂O₂ из жидкого озона и атомарного водорода или получение фторидов кислорода (O₂F₂, O₃F₂ и O₄F₂).

Подвижность неона, малая его растворимость в жидкостях организма позволяют заменять гелий в искусственном безазотном воздухе неоно-гелиевой смесью. Таким воздухом дышат океанавты, водолазы, вообще люди, работающие при повышенных давлениях, чтобы избежать азотной эмболии и азотного наркоза. Легкий неоно-гелиевый воздух облегчает также состояние больных, страдающих расстройствами дыхания. У неоно-гелиевого воздуха есть одно преимущество перед воздухом, в котором азот заменен чистым гелием, – он меньше охлаждает организм, так как теплопроводность его меньше.

И напоследок – о традиционном.

Неон – газ приборов и светильников

Неоном снаряжают те лампы, в которых нельзя заменить его более дешевым аргоном. Большинство ламп наполняется не чистым неоном, а неоно-гелиевой смесью с небольшой добавкой аргона, чтобы понизить напряжение зажигания. Поэтому свечение ламп имеет оранжево-красный цвет. Оно видно на далекие расстояния, невозможно спутать его с другими источниками света, туман ему не помеха.

Эти качества делают газосветные неоновые лампы незаменимыми для сигнальных устройств разнообразного назначения. Неон светит на маяках, неоновыми лампами обозначают вершины высотных зданий и телевизионных башен, границы аэродромов, водных и воздушных трасс.

В газоразрядных светильниках, неон разрежен, так как интенсивность света, вначале нарастающая с давлением, далее начинает падать. Давление неона в трубках 2 – 5, а в лампах тлеющего свечения 5 – 20 мм ртутного столба.

Замечательная особенность неонового тлеющего свечения – его весьма малая инерционность. Это значит, что свечение мгновенно ы чувствительно усиливается или ослабляется при изменении силы тока. Поэтому неоновые лампы применяют при устройстве сигнальных панелей и щитов радиотелевизионной аппаратуры, в коммутаторах телефонных станций, в приборах самого разнообразного назначения.

Неоновая лампа тлеющего свечения чаще всего играет роль индикатора напряжения. Ее вспышка дает сигнал о том, что электрическая цепь, в которую включена лампа, оказалась под напряжением более высоким, чем напряжение зажигания разряда в лампе. А последнее легко регулируется конструкцией лампы. Неоновая лампа может также служить стабилизатором и делителем напряжения. Лампы с неоном применяют в качестве маломощных выпрямителей, осциллографов, генераторов колебаний.

Советский ученый Л. Н. Кораблев ввел в неоновую лампу управляющий сетчатый анод, что позволило заменить ею громоздкие электронные лампы во многих приборах и аппаратах импульсной техники.

Неон и тяжелые инертные газы присутствуют в газонаполненных фотоэлементах, ими заполнены тиратроны – электровакуумные ионные приборы, служащие быстродействующими реле и имеющие ряд других назначений.

С недавнего времени миниатюрные газоразрядные приборы с неоном (величиной в четверть спичечной коробки) находят применение в электронно-вычислительных машинах, заменяя радиолампы и полупроводники. Перед первыми они имеют преимущество долговечности и малого расхода электроэнергии, перед вторыми – нечувствительность к резким колебаниям температуры.

Вот что значит для нас сегодня неон – газ инертный, редкий и очень нужный.

ВЕЧНО ВТОРОЙ. Эти слова полностью определяют положение неона в семье благородных газов. Он второй по легкости, температуре плавления и кипения после гелия. По распространенности на Земле, в ее атмосфере, он тоже второй, но на этот раз уже после аргона.

НЕОН И НАУКА. Элемент № 10 оказался сопричастен, как минимум, к двум важным научным открытиям. Именно на примере неона в 1913 г. Дж. Дж. Томсон впервые установил существование изотопов в стабильном элементе. А в 1964 г. с помощью неона был впервые получен и открыт элемент № 104 – курчатовий. В чреве большого дубненского циклотрона происходила ядерная реакция плутония и неона, в результате которой были получены первые атомы нового элемента.

Натрий

3 января 1959 г. в небе появилась комета. Не обычная комета – искусственная: из летящей к Луне советской космической ракеты было выпущено облако паров натрия. Яркое свечение натриевой кометы позволило уточнить траекторию первого летательного аппарата, прошедшего по маршруту Земля – Луна.

Натрий и наши предки

По распространенности на пашей планете натрий занимает шестое место среди всех элементов. Природные соединения натрия – это полевые шпаты и каменная соль, криолит и селитра, мирабилит и бура, нефелин и ультрамарин.

И не удивительно, что с соединениями натрия наши предки познакомились очень давно. Питекантропу хлористый натрии был так же необходим, как и современному человеку.

В Ветхом завете упоминается некое вещество «нетер». Это вещество употреблялось, по современной терминологии, как моющее средство. Скорее всего нетер – это просто сода, углекислый натрий, который образовывался в соленых египетских озерах с известковыми берегами. Об этом же веществе, но под названием «нитрон» писали позже греческие авторы Аристотель, Диоскорнд, а древнеримский историк Плиний Старший, упоминая это же вещество, называл его уже «нитрум». (Как это часто бывает, в конце концов возникла путаница, и в XVI в. термином «нитрум» обозначали селитру – азотнокислый натрий.)

У арабских алхимиков вместо «нитрум» употреблялся термин «натрон». От «патрона» и произошло современное название «натрий».

В XVIII в. химикам было известно уже очень много различных соединений натрия. Соли натрия широко применялись в медицине, при выделке кож, при крашении тканей. И хотя о соединениях натрия знали очень много, сам элемент вплоть до XIX и. открыт не был. Слишком активен этот металл, чтобы его можно было выделить традиционными химическими методами.

Из щелочи…

Хамфри Дэви (1778—1829) – английский химик и физик, первооткрыватель натрия, калия, магния, кальция, стронция и бария. Он же разработал водородную теорию кислот, подтвердил элементарность хлора, сделал ряд важных открытий в технике и физике

19 ноября 1807 г. в Лондоне на заседании Королевского общества сэр Хэмфри Дэви объявил об открытии им новых элементов – натрия и калия. Выделить эти элементы удалось с помощью электрического тока. Единственным реально применимым источником электричества в то время был вольтов столб. Вольтов столб, которым пользовался Дэви, состоял из 250 пар медных и цинковых пластин. Д. И. Менделеев так описывает открытие Дэви: «Соединяя с положительным (от меди или угля) полюсом кусок влажного (чтобы достичь гальванопроводности) едкого натра и выдолбив в нем углубление, в которое налита была ртуть, соединенная с отрицательным полюсом (катодом) сильного вольтова столба, Дэви заметил, что в ртути растворяется, при пропускании тока, особый металл, менее летучий, чем ртуть, и способный разлагать воду, вновь образуя едкий натр».

Дэви первым изучил свойства натрия и калия, он отметил легкую окисляемость щелочных металлов, указал, что пары натрия воспламеняются на воздухе.

Выделение щелочных металлов было, конечно, выдающимся открытием в химии, но технике того времени оно не дало ровным счетом ничего. Более того, никто не знал, какую вообще пользу могут принести мягкие и очень активные металлы, воспламеняющиеся под действием воды.

Через год после открытия Дэви Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар получили натрий не электролизом, а при помощи реакции едкого натра с железом, нагретым до красного каления. Но и это открытие не изменило положения натрия как элемента «только для химиков», элемента без применений; и так продолжалось почти 17 лет. Но в 1824 г. с помощью натрия был выделен алюминий (из хлористого алюминия), и интерес к натрию сразу возрос. Вскоре, однако, для восстановления алюминия стали применять калий, и производство натрия опять пошло на убыль. Лишь через 32 года А. Сент-Клер Девиль и Р. Бунзен доказали, что в производстве алюминия все-таки лучше пользоваться натрием, а не калием. Сент-Клер Девиль разработал первый промышленный способ получения алюминия, для которого натрий был необходим. Пришлось попутно разработать и промышленный способ получения элемента № 11.

По методу Сент-Клер Девиля натрий получили, восстанавливая соду углем в присутствии известняка.

В 1886 г. этот способ был усовершенствован, но в том же году натрий снова остался не у дел: спустя буквально несколько месяцев американец Холл и француз Эру почти одновременно разработали электролитический способ получения алюминия.

Для того чтобы элемент № 11 вновь вернулся в промышленные сферы, нужны были по меньшей мере две вещи: новые производства, которые не могли бы обойтись без натрия, и эффективные методы получения дешевого натрия.