ИСТОРИЯ ПОЛУЧЕНИЯ АРГОНА
Рэлей повторил опыт Кавендиша в увеличенном масштабе и на более высоком техническом уровне. Не электрофорная машина, а трансформатор под напряжением 6 тысяч вольт посылал в 50-литровый колокол, заполненный азотом, сноп электрических искр.
Специальная турбина создавала в колоколе фонтан брызг раствора щелочи, интенсивно поглощающих бурые окислы азота и примесь углекислоты. Оставшийся газ Рэлей высушил, а затем пропустил через фарфоровую трубку с. нагретыми медными опилками, задерживающими остатки кислорода. Опыт длился несколько дней.
Иной путь избрал Рамзай. Он воспользовался открытой им способностью нагретого металлического магния поглощать азот, образуя твердый нитрид магния. Многократно пропускал он несколько литров азота (сухого и свободного от углекислоты) через собранный им прибор .
В приборе имелась трубка, заполненная кусочками магния, которая накалялась при помощи горелки Бунзена; здесь происходило поглощение азота. Через 10 дней объем газа перестал уменьшаться, следовательно, весь азот прореагировал. Одновременно путем соединения с медью был удален и кислород, присутствующий в качестве примеси к азоту.
Время от времени Рамзай измерял плотность газа, циркулирующего в аппарате. Он наблюдал, как по мере уменьшения количества азота неуклонно возрастала плотность остаточного газа. Первоначально она была близка к 14, затем, постепенно повышаясь, остановилась на величине 19,086. Этим способом Рамзаю в первом же опыте удалось выделить около 100 см³ нового газа.
Нетрудно заметить, что если бы газ-незнакомец имел подобно азоту и кислороду, способность соединяться с магнием, из опыта Рамзая ничего бы не вышло. Но тут сказалась интуиция исследователя, убежденного, что объект его поисков должен обладать резко индивидуальными хи мическими чертами, отличными от свойств известных газов.
Теперь оба ученых «держали в своих руках» таинственного незнакомца, но пока, выражаясь образно, он был с головы до пят закутан в темный плащ. Стало известно только, что он тяжелее азота почти в полтора раза и составляет 1/80 часть объема воздуха. Оставалось разрешить вторую, быть может менее сложную, но более трудоемкую часть задачи: выяснить химическую сущность нового вещества. Индивидуальное ли это вещество, или смесь .
Установка Рамзая для выделения аргона из воздуха веществ, или тот же азот, но модифицированный, подобно кислороду, в озоне? Даже Менделеев поначалу склонялся к последнему мнению.
Окрыленные успехом физик и химик с новой энергией принялись за дальнейшие опыты.
Известный уже в то время закон Грэма гласит: скорость диффузии газа обратно пропорциональна квадратному корню из величины его плотности.
Следовательно, для разделения азота и его загадочного спутника можно использовать разницу их плотностей. Рэлей пропускал лишенный кислорода воздух через длинные трубки из обожженной глины. Почти весь газ на своем пути просачивался сквозь поры, но та небольшая часть, что достигала газометра на другом конце соединенных трубок, состояла из нового вещества лишь с малой примесью азота.
Другой способ разделения, который использовал Рэлей, основывался на наблюдении, что новый газ растворяется в воде лучше, чем азот и кислород. Много раз ученый повторял одну и ту же операцию: растворял в воде порцию воздуха, а затем освобождал ее кипячением; так получалась смесь газов, постепенно обогащавшаяся новым веществом.
Обильные плоды принесли и опыты Рамзая. При помощи акустических измерений он нашел, что молекула нового газа состоит только из одного атома — до этого подобные газы в устойчивом состоянии не встречались. Отсюда следовал исключительной важности вывод: раз молекула одноатомна, то, очевидно, газ представляет собой не химическое соединение, а простое вещество.
Итак, был открыт новый элемент. Много времени затратили Рамзай и Рэлей на изучение его реакционной способности по отношению ко многим химически активным веществам. Но, как и следовало ожидать, пришли к выводу: их газ совершенно недеятелен.
Несмотря на то что ученые в какой-то мере были подготовлены к этому открытию, тем не менее, будучи сформулированным, оно прозвучало ошеломляюще. Ведь до той поры не было известно ни одного настолько инертного вещества.
Большую роль в изучении нового газа сыграл спек-тральный анализ. Спектр выделенного из воздуха газа с его характерными оранжевыми, синими и зелеными линиями резко отличался от спектров уже известных газов.
И когда (несколько позднее) за детальное изучение спектра взялся Крукс, один из виднейших спектроскопистов того времени, он нашел в нем почти 200 линий. Однако уровень развития спектрального анализа в то время не дал возможности определить, одному или нескольким элементам принадлежал наблюдаемый спектр. Как выяснилось несколько лет спустя, Рамзай и Рэлей держали в своих руках не одного незнакомца, а нескольких — целую плеяду инертных газов.
7 августа 1894 г., когда ученые выступили с первым-публичным сообщением о своем открытии, речь шла только об одном элементе. За его подавляющей массой скрывались другие инертные газы, представленные в воздухе в ничтожно малых количествах. Сообщение было сделано в Оксфорде, на собрании Британской ассоциации физиков, химиков и естествоиспытателей.
В этот день участникам собрания довелось услышать диковинные вещи. В своем докладе Рэлей утверждал, что в каждом кубическом метре воздуха присутствует около 15 г открытого газа. И что в зале, где они сейчас собрались, находится несколько десятков килограммов этого газа.
Он демонстрировал отделение газа способом диффузии через глиняные трубы. На заседании председательствовал доктор Медан. По его предложению Рэлей и Рамзай дали своему детищу имя «аргон», что по-гречески означает ленивый, недеятельный. Это название подчеркивало важнейшее свойство элемента — его химическую неактивность.
Старинный город науки давно не знал такого волнения умов. К изумлению примешивалась изрядная доля недоверия. Казалось слишком невероятным, чтобы несколько поколений ученых, в течение столетия кропотливо выполнявших тысячи анализов воздуха, не заметили составной его части, да еще в количестве целого процента! Однако чтобы удостовериться в открытии двух англичан, ученым понадобились считанные дни.
Десятки естествоиспытателей разных стран проверили опыты Рэлея и Рамзая. Сомнений не оставалось: воздух содержит аргон. Вскоре Ольшевский в Кракове получил жидкий аргон и определил его критические постоянные.
Открытие аргона было справедливо оценено как победа третьего десятичного знака, торжество точного опыта. Не будь в распоряжении Рэлея аналитических весов, он не смог бы заметить столь малой разницы в весе, а без спектроскопа Рамзай не смог бы установить индивидуальность аргона.
Не очень точное в ту пору определение атомной массы аргона показало, что она превышает 39. Следовательно, в таблице Менделеева того времени ему должно было принадлежать место где-то между хлором (ат. масса 35,45) и калием (ат. масса 39,1) или между калием и кальцием (ат. масса 40,08). Однако в этих участках таблицы все клетки уже были заполнены.
Строя периодическую систему элементов, Менделеев строго придерживался фактов, накопленных к тому времени наукой. Естественно, он не мог предугадать существования элементов нулевой валентности. Впрочем, тут необходима любопытная справка. В 1951 г. Б. М. Кедров обнаружил в рукописном наследии Д. И. Менделеева листок с табличкой расчетов атомных весов, относящийся к февралю 1869 г.
В ней Менделеев близко подошел к предсказанию группы инертных элементов; особняком тут выделены элементы с атомными массами 2,20 и 36; указано, что они должны находиться соответственно между Н и Li, F и Na, Сl и К. Тогда Менделеев оставил эту мысль неразвитой и без огласки, вероятно, потому, что отсутствовали подтверждающие ее факты. Чтобы оказалось возможным предвидеть существование группы инертных газов, надо было обнаружить хотя бы два газа этой группы. Это произошло лишь 26 лет спустя.
Аргон был явно непрошеным пришельцем в обществе химических элементов. Кроме того, какое же место в периодической системе мог занимать элемент, -лишенный химических свойств? Принцип периодического повторения свойств элементов не мог допустить существования только одного, изолированно стоящего элемента аргона; такого рода простых веществ должно быть несколько или ни одного. Рамзай твердо стоял на позициях периодического закона, и это, а также развитие лабораторной техники в конце прошлого века предопределило быстрое открытие остальных членов группы инертных газов.
Внесем последний штрих в исполненную драматизма историю «аргононавтики». Прошло десять лет. Рамзай триумфально завершил эпопею открытия инертных газов, его труд получил мировое признание. А что же Рэлей? Огорченный недоверием и нападками, он оставил исследования аргона, химию вообще и сосредоточил свои интересы на физических проблемах.
Выдающийся ученый, он достиг значительных результатов в ряде областей физики, за что в 1904 г. был удостоен Нобелевской премии. В Стокгольме он встретился с Рамзаем, который также в этот день получал Нобелевскую премию за открытие и исследование группы инертных газов.
Статья на тему История получения аргона