Вид с высоты

Как раз перед открытием инертных газов, а точнее, в 1890 году, американский химик Уильям Фрэнсис Гиллебранд, исследуя минерал, содержавший уран, заметил, что из него выделяется небольшое количество инертного газа. Газ был без цвета, вкуса и запаха, не растворялся и не горел, так что, по мнению Гиллебранда, он не мог быть ничем иным, кроме азота.

Когда Рамзаю — несколько лет спустя — попала в руки эта работа, он не удовлетворился таким объяснением. Оно основывалось только на том, что газ не имел цвета и запаха, не растворялся и не горел. Слабые доводы. Рамзай достал другой урановый минерал, собрал инертный газ и изучил его спектр.

Спектральные линии этого газа были совершенно непохожи на линии азота. Они оказались точно такими же, как и те, о которых давным-давно сообщали Жансен и Локьер, обнаружившие их в атмосфере Солнца. Итак, в 1895 году, через 27 лет после того, как Локьер впервые высказал свое предположение, солнечный элемент был найден на Земле. Гелий действительно существовал и был элементом. К счастью, и Жансен и Локьер дожили до признания их открытия (Жансен умер в 1907 году, Локьер — в 1920-м).

Гелий сразу же привлек к себе внимание. Он был самым легким из инертных газов, легче всех известных веществ, кроме водорода. Атом гелия имеет всего одну электронную оболочку; как известно, в этой внутренней оболочке может быть всего два электрона. Эти два электрона у гелия есть, и потому он оказался не просто инертным, а самым инертным из всех инертных газов, а следовательно, из всех известных веществ.

Крайняя инертность гелия была обнаружена в точке его сжижения, то есть температуре, при которой он может быть превращен в жидкость.

* * *

Когда близлежащие атомы (или молекулы) вещества сильно притягиваются друг к другу, образуется цельный кусок и мы имеем твердое тело. При нагревании оно может превратиться в жидкость или даже в газ. Переход в эти состояния совершается при таких температурах, когда тепловая энергия преодолевает силы притяжения между атомами или молекулами. Чем слабее силы притяжения, тем ниже температура, при которой происходит испарение вещества.

Если взаимодействие между атомами или молекулами достаточно слабое, то для испарения вещества требуется так мало тепла, что оно остается газообразным и при обычных условиях, а иногда даже при очень низких температурах.

Силы притяжения особенно слабы в тех случаях, когда электроны на внешней оболочке образуют устойчивую восьмиэлектронную конфигурацию. Молекула азота состоит из двух атомов азота, которые располагаются так, что каждый обладает частью из восьми электронов внешней оболочки. Сказанное верно и для других простых молекул, например хлора, кислорода, окиси углерода, водорода и прочих. Поэтому все эти газы сжижаются только при очень низких температурах.

Мало-помалу химики усовершенствовали способы достижения низких температур и научились сжижать один газ за другим. Нижеприведенная таблица иллюстрирует, как постепенно удавалось добиться все более низких температур. Точки сжижения даны в градусах по Кельвину, иначе говоря, они выражены числом градусов по Цельсию с началом отсчета от абсолютного нуля.

И вот в течение 70–80-х годов прошлого столетия, когда велась напряженная работа по получению низких температур, стало совершенно очевидно, что водород окажется самым твердым орешком. Вообще, температура сжижения падает вместе с плотностью, а водород в то время считался наименее плотным из всех известных газов и должен был иметь самую низкую температуру сжижения. Поэтому, когда впоследствии все же удалось получить жидкий водород, казалось бы, пала последняя крепость.

Однако всего за несколько лет до «покорения» водорода это достижение потеряло свое значение, потому что уже были открыты инертные газы. Атомы инертных газов, электронные оболочки которых укомплектованы, испытывают столь слабое притяжение друг к другу, что их температура сжижения значительно ниже, чем у других газов такой же плотности. Это видно из следующей таблицы, в которой даны все инертные газы, кроме гелия:

Итак, радон, ксенон и криптон, которые плотнее хлора, сжижаются при более низкой температуре. По сравнению с этиленом аргон более плотный газ, а сжижается он при значительно более низкой температуре, но неон, который в десять раз плотнее водорода, сжижается почти при такой же низкой температуре, как и этот самый легкий из газов.

Последний инертный газ, гелий, который только в два раза плотнее водорода, должен по логике вещей сжижаться гораздо труднее. Так оказалось и на самом деле. При температуре жидкого водорода гелий упорно остается в газообразном состоянии. Даже когда температура падает до точки затвердевания водорода (13° по Кельвину), гелий остается газом.

Гелий был сжижен лишь в 1908 году. Это удалось сделать голландскому физику Хейке Каммерлинг-Оннесу. Гелий переходит в жидкое состояние при 4,2° по Кельвину. Каммерлинг-Оннесу удалось охладить гелий до 1° по Кельвину путем испарения жидкого гелия в условиях полной тепловой изоляции.