Сер Вилијам Ремзи

Сер Вилијам Ремзи, (1852 -1916) е еден од водечките светски научници на крајот на 19 век кој во спектакуларниот период на истражување помеѓу 1894 и 1898 година, открил пет нови елементи. Тоа беа благородните гасови, хелиум, неон, аргон, криптон и ксенон, кои сочинуваа сосема нова група во Периодниот систем на елементите и станаа основа за нашето разбирање за електронската структура на атомите и начинот на кој тие електрони ги поврзуваат атомите заедно во молекули. За оваа работа тој е награден со Нобеловата награда за хемија во 1904 година, прва таква награда за британски научник.

Ремзи уште на рана возраст решил да стане хемичар. Неговиот дедо, Вилијам Ремзи, бил производител на хемикалии во Глазгов, наследник на долга низа бојаџии. Тој бил првиот што дестилирал дрво за производство на пиролинска киселина, првиот што произведувал бихром; и долги години, тој и неговите партнери, господата Турнбул, го правеле „Turnbull’s blue“.

Ремзи (8 години) со неговите родители

Таткото на мајка му бил лекар и автор на серија учебници за студенти по медицина, од кои еден бил насловен Colloquia Chymica. Оттука, страста за хемија ја наследил од своите предци од двете страни на семејството.

Студирал на Универзитетот во Глазгов во Шкотска (1866–70) a подоцна станал докторант под менторство на Рудолф Фитиг на Универзитетот во Тибинген во Германија, каде што докторирал во 1872 година.После тоа, Ремзи се вратил дома, да работи на Универзитетот во Глазгов (1874–80). Во овој период, истражувањето на Рамзи било фокусирано на алкалоидите (комплексни хемиски соединенија добиени од растенија). Тој го проучувал нивното физиолошко дејство и ја утврдил нивната структурна врска со пиридинот, соединение што содржи азот и многу наликува на бензен.

Пиридин

Во 1879 година тој се свртел кон физичката хемија за да ги проучува моларните волумени на елементите на нивните точки(температури) на вриење. Открива лесен метод за одредување на волумените на течностите на нивните точки на вриење(следствено на нивните молекуларни волумени со користење на сопствените пари, кои доаѓаат од течностите што вријат под атмосферски притисок, како средство за обезбедување на саканата температура). Едноставна модификација на овој метод овозможила да се добие опсег на температури со менување на притисокот под кој врие течноста. Овој уред довел до проучување на критичните феномени на течностите; бидејќи со употреба на пара како средства за загревање, може да се обезбеди голема униформност на температурата.

Со колегата Јанг објавиле повеќе од 30 трудови за физичките карактеристики на течностите и парите. Ова дело му помогнало на Ремзи да ги развие техничките и манипулативните вештини кои подоцна го формираа белегот на неговата работа на благородните гасови. Во 1887 година Ремзи станал професор по општа хемија на Универзитетскиот колеџ во Лондон, каде што останал до неговото пензионирање во 1913 година.
Неколку години продолжил да работи на проекти поврзани со својствата на течностите и парите, а потоа Ремзи го започнал истражувањето кое на крајот го направило најпознатиот хемичар во Британија - откривањето на благородните гасови.

Како почнало се?

Британскиот физичар Џон Вилијам Штрут (попознат како Лорд Рејли) во 1892 година покажал дека атомската тежина на азотот пронајден во хемиските соединенија е помала од онаа на азотот што се наоѓа во атмосферата. Тој го припишал ова несовпаѓање на постоењето на лесен гас вклучен во хемиските соединенија на азотот, додека Ремзи се сомневал дека постои дотогаш неоткриен тежок гас во атмосферскиот азот. Користејќи два различни методи за отстранување на сите познати гасови од воздухот, Ремзи и Рејли во 1894 година објавиле дека пронашле монатомски, хемиски инертен гасовит елемент кој сочинувал речиси 1 процент од атмосферата; го нарекле аргон.

Следната година, Ремзи ослободил уште еден инертен гас од минералот наречен клевеит; Се покажало дека ова е хелиум, претходно познат само во сончевиот спектар. Во својата книга„Гасовите на атмосферата“ (1896), Ремзи покажал дека позициите на хелиумот и аргонот во периодниот систем на елементи укажуваат дека можеби постојат уште најмалку три благородни гасови. Во 1898 година тој и британскиот хемичар Траверс ги изолирале овие елементи - наречени неон, криптон и ксенон - од воздухот доведен во течна состојба при ниска температура и висок притисок. Работејќи со британскиот хемичар Фредерик Соди во 1903 година, Ремзи покажал дека хелиумот (заедно со гасната еманација наречена радон) постојано се произведува за време на радиоактивното распаѓање на радиумот, откритие од клучно значење за современото разбирање на нуклеарните реакции. Во 1910 година, докажал дека тоа е шестиот благороден гас, и дал дополнителен доказ дека е формиран со емисија на јадро на хелиум од радиумот. Ова истражување го покажало високиот степен на експериментална вештина што Ремзи ја развил, но го одбележало и неговиот последен значаен научен придонес.

Ремзи имал многу интереси, вклучувајќи јазици, музика и патувања. Тој силно го поддржувал високото научно образование, и бил првиот што напишал учебници засновани на периодичната класификација на елементите: A System of Inorganic Chemistry и Elementary Systematic Chemistry for the use of Schools and Colleges. Неговата слава била таква што бил баран како индустриски консултант и како експерт во правни случаи а исто така, пишувал популарни написи во научни списанија. Добитник на многу награди и почести, Ремзи бил избран за член на Кралското друштво во 1888 година и прогласен за витез во 1902 година а како највисоко признание за неговите постигнувања, е почестен со Нобеловата награда за хемија во 1904.

Како се одвивало откривањето на благородните гасови?

Воздухот бил затворен во цевката A, над силната база, B, а биле поставени две електроди, D, што испуштале искра во гасот. Кислородот реагирал со азотот и образувал азотни оксиди кои се кисели и се растворале во базата. Додавал кислород по потреба, си додека немало дополнително намалување на волуменот. Вишокот на кислород бил отстранет со пирогалол и секој остаток на гасот требало да биде сомнителна нечистотија. По 9 дена, од 50 mL воздух, Рејли добил 0,3 mL инертен гас.

Рамзи, со своето искуство во градење на апарати за ракување со гасови, станал поамбициозен, а неговиот подобрен апарат е прикажан подолу.Бунсеновите бренери кои ги модифицирал за да го рашират пламенот по должината на цевката, биле по дизајн на Рамзи и се нарекуваат Рамзиеви горилници.

Азотот (од воздухот од кој кислородот бил отстранет со усвитен бакар) во големиот држач за гас А бил префрлен во првата гасна бирета C и потоа преминувал преку P₂O₅ и гасена вар во D (за отстранување на водата и CO₂), а потоа преку загреан Cu/CuO во E (за да се отстрани кој било остаток на кислород и кој било водород од реакцијата на H₂O и Mg), а потоа над вжештениот магнезиум во F каде што азотот реагира за да формира цврст магнезиум нитрид. Гасот се пренесувал напред-назад преку магнезиумот додека не дојде до понатамошно намалување на волуменот, а потоа испумпуван во резервоар и процесот се повторувал. На овој начин, околу 10 до 11 L азот биле намалени на 104 mL.

Гасот бил наречен аргон, од грчкиот ργός, - мрзлив (неактивен), што е збор што се користи во Новиот завет за да ги опише „работниците што стојат без работа на пазарот“, за да ја означи неговата инертност (како аргати).

Сликата ја покажува состојбата на Периодниот систем на елементи на Менделеев на тој датум. Својствата на елементите варираат од силно метални во групата I (алкални метали) до силно неметални во групата VII (халогени), и очигледно нема место за Ремзиовиот аргон со атомска тежина од околу 40. Неговата најава беше исполнета со недоверба од голем дел од научната заедница.

Сер Хенри Мајерс, кој бил главен минералог во Британскиот музеј, му напишал на Ремзи дека американскиот геолог, Хилебранд, пријавил дека некои минерали од уранит, особено кливеит, испуштаат гас,кога се третира со сулфурна киселина. Хилебранд мислел дека гасот е азот, но Мајерс и Ремзи помислиле дека можеби е аргон од некое соединение на аргон во минералот. Ремзи купил 1 g клевеит и го сварил во сулфурна киселина и собрал гас што дава жолта линија во спектарот, што не припаѓала ниту на азот ниту на аргон. Тој испратил примерок до Крукс кој потврдил дека тоа е истата линија што ја добил Јансен од спектарот на сончевата корона за време на затемнувањето во Индија во 1868 година. D1 на 589,50 nm и D2 598,90 nm, па Јансен ја нарекол линијата D3. Се видело дека не припаѓа на ниеден познат елемент, па Локиер и Френкланд сфатиле дека припаѓа на непознат елемент кој го нарекле хелиум.

Откривањето на хелиумот и аргонот довело до интензивни шпекулации за нивната позиција во Периодниот систем. Ремзи му пишал на Рејли на 24 мај 1894 година: „Дали ви паднало на ум дека има простор за гасовити елементи на крајот од периодниот систем ..“, но тој во истата група VIII ги ставил тријадите Fe –Co – Ni и Ru –Rh – Pd.

Неговото убедување дека мора да недостасува среден инертен гас се засновало на големата разлика од околу 36 помеѓу атомските тежини на хелиум и аргон. Во другите групи на елементи како што тогаш се препознаваат, разликата помеѓу првиот и вториот член била обично околу 16 (на пр. F-19, Cl-35,5 разлики 16,5; O-16, S-32, разлика 16; C-12, Si-28,3, разлика 16,3). Се чинело дека со He-4 (пред литиум) и Ar-40 (пред калиум), ако овие се првиот и третиот член на новата група, треба да има инертен гас од истото семејство, со атомска тежина од околу 20 (пред натриум).
Во август 1897 година, во своето претседателско обраќање до одделот за хемија на Британската асоцијација, тој изјавил: „Треба да има неоткриен гас помеѓу хелиумот и аргонот, со атомска тежина 16 единици поголема од хелиумот и 20 единици пониска од онаа на аргон, имено 20... непознат гас, обдарен без сомнение со негативни својства “.

Тие поминале две години во бесплодни обиди да подготват соединенија на аргон и да го пронајдат тој гас што недостига,во минералите, минералните извори, вулкани и животинските и растителните материјали. Единствениот успех бил што аргонот секогаш се наоѓал во гасовите од минералните извори, а траги од хелиум биле пронајдени во многу минерали.

Хелиумот, како и аргонот, е гас, слабо растворлив во вода, кој го издржува дејството на кислородот во присуство на жива сода, влијанието на електричното празнење, како и на вжештениот магнезиум. Не реагира со калиум па ни со хлор. Како и аргонот, односот на неговата специфична топлина при константен волумен со онаа при постојан притисок покажувало дека е монатомски елемент, а атомот и молекулата се исти; а неговата густина била откриена и дека е скоро 2; затоа е наречен најлесниот познат гас, со исклучок на водородот. Овие заеднички својства го посочиле очигледното: дека хелиумот и аргонот припаѓаат на исто природно семејство; и исто така станало веројатно дека мора да постојат најмалку три други елементи од истата класа; ова било видливо при проверка на Периодниот систем и примена на периодниот закон на Менделеев.

Неон, и криптон и ксенон

Во 1898 година тие сфатиле дека гасот што недостасува помеѓу хелиумот и аргонот мора да се крие во воздухот и успеале да го изолираат, а исто така и двата дополнителни гасови, криптон и ксенон, бидејќи течниот воздух станал достапен како резултат на работата од Дјуар во Кралската институција и Олшевски во Полска.

Обезбедиле околу 750 ml течен воздух на 24 мај 1898 година. На 31 мај, остатоците од 10 mL кои не зовреле потоа биле прочистени од кислород, азот и јаглерод диоксид. Спектарот и густината на преостанатите 26,2 mL гас покажале присуство на аргон, но и нов гас, криптон со густина од 40. Во потрага по полесен инертен гас, неочекувано нашле потежок.

Тие кондензирале аргон во садот b со предизвикување на течниот воздух да врие под намален притисок преку c . На аргонот потоа му било дозволено да се загрее, а седум фракции од аргонот биле собрани по ред во e, и префрлени во епруветите. Следниот ден, го одвоилe неонот од нечистиот аргон. Тие го прочистилe, ја утврдилe неговата густина како 14,67, неговиот специфичен однос на топлина Cp/Cv што покажалo дека е монатомски и го проучиле неговиот спектар.

Една од неговите способности била дувањето стакло, така што лабораториската опрема си ја правел сам
(слика од апаратурата за добивање на ксенон)

Најмалку испарливите остатоци од течниот воздух биле кондензирани во садот b во апаратот прикажан на сликата. Внимателното фракционирање го дало последниот гас во воздухот, ксенонот.
Според него, групата VIII од Периодниот систем сега била комплетирана а процентите во воздухот се Ne 0,0029%, Ar 1%, Kr 0,0001% и Xe 0,000009%.

Радон

На Универзитетот Мекгил, Радерфорд и Соди покажале дека тешките елементи како што се ториумот и радиумот испуштаат гас, кој го нарекоа еманација, во мали количини, кој е хемиски инертен и можело да бидат дополнителен благороден гас што ќе ја пополни празнината под ксенонот во Периодниот систем. Тие се обиделе да ја одредат неговата густина, што ќе ја даде атомската тежина, но не можеле да добијат сигурна вредност.

Само Ремзи ја имал техниката на ракување со толку мали количини гасови, а во 1903 година, Соди му се придружил на Ремзи. Гасот не покажал спектар на празнење, но по некое време се развил спектарот на хелиум. Единствениот начин да се потврди дека еманацијата, која прво ја нарекле нитон, а подоцна и радон, е благороден гас, било да се одреди неговата густина, а Whytlaw-Gray во лабораторијата на Ремзи изградиле апаратура наречена „балансер“ која бил чувствителна до 108 g и е прикажано на сликата долу.

Една од многуте компликации е тоа што радонот се распаѓа на хелиум со полуживот од 3,8 дена па требало да се применат голем број дополнителни корекции. Тие откриле дека 6,586 .10-5 mL радон тежи 6,556.10-7 g; што значи дека атомската маса на аргон е 222, со што се комплетирала збирката на благородни гасови.

Со тоа, конечно е комплетиран Периодниот систем на Менделеев,со 18 групи како што денес го познаваме и проучуваме!