Krypton, neon, ksenon

Po odkryciu argonu i helu w historii gazów szlachetnych zapadła cisza. Było to spowodowane kilkoma czynnikami. Z jednej strony ilości gazów jakimi mogli dysponować badacze były bardzo niewielkie. Wydzielanie ich z powietrza wymagało usunięcia tlenu, azotu, wodoru i dwutlenku węgla. Gazy szlachetne stanowią niewielki ułamek atmosfery ziemskiej, a gdyby tego było mało, to poszukiwanie śladowych składników w mieszaninie argonu i helu nastręcza dodatkowych problemów technicznych. Z drugiej strony argon i hel są nieaktywne chemicznie i nawet tak aktywne pierwiastki jak fluor nie reagują z nimi. Z tego względu chemicy nie posiadali narzędzi, które pozwalałyby im badać te gazy, a fizycy potrzebowali bardziej wyrafinowanych technik do badania śladowych ilości gazów, szczególnie określania gęstości gazów. W sukurs przyszło odkrycie dwóch inżynierów, Anglik William Hampson oraz Niemiec Carl Paul Gottfried Linde, którzy opracowali, niezależnie od siebie, skuteczną metodę rozdziału skroplonego powietrza w dużej skali. Na początku roku 1898 Morris William Travers, asystent Ramsaya, skonstruował aparaturę do otrzymywania dużych ilości ciekłego argonu, wykorzystując fakt, że gazy atmosferyczne skraplają się przy różnych temperaturach, co ułatwia ich rozdzielenie.

Odkrycie argonu i helu było istotne, nie tylko ze względu ich obojętność chemiczną lecz również miało istotny wpływ na prawo okresowości i układ okresowy pierwiastków. Trzy właściwości tych pierwiastków, masy atomowe, zerowa walencyjność wynikająca z niewchodzenia w reakcje chemiczne oraz atomowa budowa tych gazów, wskazywała na położenie tych gazów w odrębnym miejscu, poza układem okresowym. Z tych powodów Mendelejew skłaniał się do uznawania argonu za odmianę azotu, a nie odrębny pierwiastek. W owym czasie Ramsay postulował, że gazy te powinny tworzyć diadę podobną do układu triady pierwiastków od żelaza do platyny. Jednak masy atomowe helu i argonu odpowiednio 4 i 40, różniły się zbyt znacznie aby można je było ustawić w jednym szeregu (okresie) układu. W związku z tym Ramsay zaproponował aby ustawić je na ostatnich pozycjach okresów układu, co pociągało za sobą konieczność odkrycia pierwiastka o masie atomowej około 20, który zajmowałby ostatnie miejsce w drugim okresie, i znajdował się pomiędzy helem i argonem. W sierpniu 1897 roku Ramsay na zebraniu Towarzystwa Brytyjskiego w Toronto przedstawił raport zatytułowany „Nieodkryty gaz”, w którym wskazywał na konieczność istnienia pierwiastka, gazu szlachetnego, o takiej właśnie masie atomowej, który wypełni miejsce pomiędzy odkrytymi helem i argonem.

Odkrycie, ale innego gazu, nastąpiło po dokonaniu analiz pozostałości po frakcyjnej destylacji skroplonego powietrza. 24 maja 1898 roku Ramsay i Travers otrzymali naczynie Dewara ze skroplonym powietrzem. Ku ich niezadowoleniu, a jak się okazało na szczęście, ilość ciekłego powietrza była za mała na uzyskanie z niej odpowiedniej ilości argonu, i uczeni zdecydowali się na dopracowanie metody destylacji frakcjonowanej. Pod koniec dnia zauważyli, że pozostała w zbiorniku frakcja jest najcięższa, i pozostawili ją na cały następny tydzień. 31 maja Ramsay zdecydował się przebadać pozostałość, oczyszczając ją z pozostałości tlenu i azotu i poddając badaniu spektroskopowemu. Ku zdziwieniu obydwu uczonych widmo spektralne pokazało jasnożółtą linię nie pasującą ani do helu ani do sodu. W swoim dzienniku Ramsay zapisał notatkę brzmiącą: „31 maj. Nowy gaz. Krypton”. Nazwę krypton, użył on wcześniej dla nieodkrytego jeszcze helu, i teraz znalazła ona swoje miejsce w szeregu gazów szlachetnych. Jednak odkryty krypton nie był tym gazem, którego poszukiwał Ramsay, jego masa atomowa była znacznie większa niż oczekiwane 20 jednostek masy atomowej.

Odkrycie neonu nastąpiło bardzo szybko po odkryciu kryptonu. Ramsay i Travers wydzielili lekką frakcję ze skroplonego powietrza. 7 lipca tego roku eksperyment prowadził sam Travers i to on wydzielił nowy gaz. Jednak uzyskanie odpowiedniej ilości gazu, wystarczającej do określenia jego właściwości, szczególnie gęstości, zajęło kolejny tydzień. Nazwę dla tego pierwiastka zaproponował syn Ramsaya, a pochodzi ona od greckiego słowa νέον (néon) będącego liczbą pojedynczą rodzaju nijakiego słowa νέος (neos) czyli nowy. Gęstość tego gazu była bardzo bliska gęstości argonu, ale w odróżnieniu od niego widmo spektroskopowe było inne. Wydzielony prze Ramsaya i Traversa neon nie był czystym gazem. Zawierał on zanieczyszczenia, które uczeni uznali początkowo za inny gaz szlachetny i nazwali matargonem. Jednak dokładniejsze badania pozwoliły stwierdzić, że zanieczyszczenie to składało się z argonu i tlenku węgla.

Obydwaj uczeni odkryli jeszcze jeden gaz szlachetny. W lipcu 1898 roku przeprowadzali destylację kolejnej porcji skroplonego powietrza zbierając 50 frakcji. Pozostałość podali kolejnej destylacji, i w próbce zawierającej frakcje o numerze 56 znaleźli krypton. Podczas ogrzewania aparatury destylacyjnej zebrali jeszcze jedną, 57, porcję gazu. Następnego dnia poddali ostatnią frakcję badaniu spektroskopowemu stwierdzając, że linie na widmie nie odpowiadają znanym pierwiastkom. Dla tego pierwiastka Ramsay zaproponował nazwę ksenon pochodzącą od greckiego słowa ξένον (xenon), liczba pojedyncza rodzaju nijakiego słowa ξένος (xenos) oznaczającego dziwny, obcy.

Odkrycie gazów szlachetny miało ogromny wpływ na dalszy rozwój nauki i plasuje się w szeregu tak istotnych rewolucji naukowych jak odkrycie promieni X przez Roentgena, radioaktywności i elektronów. Hel odkryty po raz pierwszy w koronie słonecznej został następnie znaleziony w atmosferze ziemskiej. Argon, pierwiastek nie wchodzący w reakcje  chemiczne, przyczynił się do powstania koncepcji zerowej walencyjności. Gazy szlachetne obojętne chemicznie, dodane do układu okresowego nie tylko zharmonizowały układ okresowy, ale przyczyniły się, po dalszych 25 latach od ich odkrycia, do powstania teorii powłok elektronowych w atomach. Teoria Bohra, budowy atomu, wyjaśniła bierność chemiczną tych pierwiastków, a co istotne pozwoliła na stworzenie teoretycznych podstaw koncepcji wiązań jonowych i kowalencyjnych. W latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia okazało się, że bierne chemicznie gazy szlachetne jednak są zdolne do tworzenia związków chemicznych. Pod względem rozpowszechnienia w atmosferze ziemskiej gazy te należą do najrzadziej występujących pierwiastków. Ramsay oszacował, że zawartość helu wynosi około 1 do 245 000 części atmosfery, neonu 1 do 81 milionów, a kryptonu i ksenonu odpowiednio jak 1 do 20 i 170 milionów. Stosunkowo dużo jest argonu, bo jego zawartość szacuje się na około 0,94 procenta objętościowego, ale wynika to z faktu, że powstaje on w wyniku przemiany jądrowej jednego z izotopów potasu.