Книга Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

Инертные газы на Земле и вне ее

Вернемся снова к составу земной атмосферы. Вспомним, что на долю азота и кислорода приходится более 99 процентов. На все остальные газы, включая водород и двуокись углерода, приходится менее одного процента. Львиную долю этого процента забирает аргон. По сравнению с остальными инертными газами аргона очень много в атмосфере — 0,93 процента. Это объясняется радиоактивным распадом 40K, в результате которого образуется 40Ar, кстати, по этой же причине тяжелый изотоп аргона преобладает. 1 килограмм воздуха содержит 12,9 грамма аргона и десятую долю грамма всех остальных инертных газов.

Ксенон — очень редкий газ, его содержание в атмосфере равно 9·10–7 процента, но в то же время абсолютное его содержание огромно. Если бы мы захотели поместить этот газ в железнодорожные цистерны, то потребовался бы поезд длиною в 80 земных экваторов, и если бы ваш путь пересек этот поезд, мчащийся со скоростью 90 километров в час, то подъема шлагбаума пришлось бы ждать четыре года.

Содержание радона в атмосфере ничтожно: 6·10–18 процента. Если собрать весь радон земной атмосферы, то его можно будет поместить в пивную бочку средних размеров, объемом всего лишь 230 литров. Весит это количество радона два с небольшим килограмма, столько же, сколько том Большой Советской Энциклопедии.

Инертные газы содержатся не только в атмосфере: гелий и аргон можно обнаружить в снеге, граде, дождевой воде и минералах. При каждом вулканическом извержении выделяется значительное количество аргона. В 1902 году во время извержения вулкана Мон-Пеле на острове Мартиника выделялись газы, содержащие 0,7 процента аргона.

Совершенно иные цифры получим мы, если рассмотрим распространение элементов в космосе.

По последним научным данным, вселенная состоит по весу из 76 процентов водорода, 23 процентов гелия; только 1 процент приходится на долю всех остальных элементов таблицы Менделеева.

Так ли они инертны?

Вот, кажется, и все об инертных газах…

Впрочем, вправду ли они такие инертные, ленивые, химически мертвые? Еще в 1896 году был получен кристаллический гидрат аргона, но, по словам советского химика Б. А. Никитина, и через тридцать лет этот факт оставался непонятным и удивительным для многих исследователей.

Б. А. Никитин положил много сил исследованию соединений инертных газов. Он предложил оригинальный метод получения легкодиссоциирующих молекулярных соединений благородных газов.

Что такое молекулярное соединение и почему оно характерно для инертных газов?

Инертные газы обладают законченной, совершенной структурой электронных оболочек. На внешней электронной оболочке у них содержится восемь электронов, у гелия — два. Благородные газы очень крепко держат свои электроны, не отдают их чужим атомам и сами не принимают ничьих электронов — короче говоря, ионных соединений типа NaCl или NaF они не в состоянии образовать.

Атомы инертных газов не склонны также обобществить свой электрон с электроном другого атома и дать соединение с ковалентной связью, типа молекулы хлора. Валентная связь, обусловленная переходом электрона или обобществлением его, не имеет места у благородных газов. Но мы знаем, что при низких температурах они могут быть и жидкостью и даже твердым телом.

Какие же силы стягивают в жидкость однородную молекулу инертного газа? Межмолекулярные, или, как их еще называют, в честь голландского химика Ван дер Ваальса, вандерваальсовы силы…

В любой молекуле есть как положительно заряженные частицы — ядра атомов, так и отрицательные — электроны. И для отрицательных и для положительных зарядов есть точки, которые можно назвать «электрическим центром тяжести». Эти точки — своего рода полюсы молекулы. Если в молекуле отрицательный и положительный полюсы совпадают, то молекула будет неполярной. Молекулы инертных газов неполярны; они построены очень гармонично.

При несовпадении электрических центров тяжести получается полярная молекула.

Молекулярные соединения образуются за счет вандерваальсовых сил, имеющих электрическое происхождение. Эти силы примерно в 100 раз слабее обычных валентных химических сил.

Итак, вандерваальсовы силы связывают молекулы инертных газов в жидкость. Какой характер имеют эти силы здесь? Ведь молекула в данном случае совершенно неполярна. Оказывается, не совсем. В атоме не только электроны вращаются вокруг ядра, но и сами ядра колеблются относительно своих положений равновесия. А поэтому на очень короткое время идеальная симметричная структура молекулы инертного газа искажается. Часть электронных орбит время от времени на мгновение смещается и образует диполь, правда очень небольшой.

А могут ли вандерваальсовы силы связать молекулу инертного газа с молекулой другого вещества? Могут, особенно если эти другие молекулы близки им по размерам и по форме, или, как говорят химики, изоморфны. Б. А. Никитин обнаружил, что радон, например, изоморфен с сероводородом и двуокисью серы; их кристаллические структуры сходны. Частицы радона могут заменять частицы сероводорода в кристаллической решетке, образуя смешанные кристаллы.

Гидрат радона также изоморфен с гидратом сероводорода. Если под большим давлением пропускать радон через ледяную воду, то образующийся гидрат тут же распадается. Стоит только добавить к инертному газу сероводород, и образующийся гидрат сероводорода уловит радон в свою кристаллическую решетку.

Наряду с гидратом сероводорода получится гидрат радона. Этим методом, названным методом изоморфного соосаждения, Никитин впервые получил кристаллогидраты всех инертных газов, кроме гелия, и обнаружил, что все они содержат по шесть молекул воды. Здесь атом инертного газа плотно взят в кольцо полярными молекулами воды.

Молекулярные соединения инертных газов малоустойчивы, но являются полноценными химическими соединениями, так как обладают вполне определенным химическим составом.

Чем выше молекулярный вес инертного газа, тем прочнее его гидрат. Если гидрат ксенона получают при 0 °C, почти при нормальном давлении, то гидрат неона при той же температуре необходимо сжимать до 300 атмосфер. Различная устойчивость гидратов благородных газов может быть использована для их разделения.

В результате работ советского ученого образовалась новая глава в химии — химия инертных газов, играющая важную роль в изучении природы молекулярных соединений.

Превращение элементов

Лучи, лучи, лучи…

Все началось с открытия Рентгена. В 1895 году он обнаружил невидимые лучи, способные проходить сквозь вещества, непроницаемые для обычных световых лучей. Их можно было заметить по действию на фотопластинку, которую они засвечивали, даже если она была обернута в черную бумагу. Рентген назвал их икс-лучами, поскольку не мог установить их природы. Теперь они известны всем как рентгеновы.

Икс-лучи вызвали огромный интерес ученых всего мира.

Французский физик Анри Беккерель решил выяснить, не связано ли появление рентгеновых лучей с флуоресценцией. Так называется холодное свечение некоторых веществ. К ним относится, в частности, калий уранил-нитрат. «Облученные ярким солнечным светом соли урана испускают рентгеновы лучи», — вскоре заявил Беккерель. Казалось, все было в порядке вещей, но ученый обнаружил, что урановые соединения