С момента открытия газов — гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и радона химики упорно боролись с их пассивностью. Действовали на них активными металлами и неметаллами, агрессивными химическими соединениями, накаляли до температуры несколько тысяч градусов, охлаждали почти до абсолютного нуля, действовали светом и электрическим током. Но это ничего не дало. «Химические лентяи» не сдавались, они ни за что не хотели вступать в химические реакции. Отчаявшись, химики потеряли всякую надежду на успех и сделали вывод, что инертные газы вообще не способны к образованию химических соединений. Такая слава сохранялась за ними до недавнего времени.
Соединениями «химических лентяев» грезили не только ученые, но и писатели-фантасты. В романе «Война миров» английский писатель Г. Уэллс рассказывает о войне, развязанной космическими пришельцами-марсианами на Земле. На развалинах своей прежней цивилизации земляне неожиданно находят черное вещество — смертоносный яд, который, якобы, оказался химическим соединением «ленивого газа» — аргона…
Шли годы, а к открытию химических соединений благородных газов было еще далеко. Правда, некоторые ученые все же высказывали довольно оптимистичные прогнозы относительно их синтеза. В 1933 г., развивая свою теорию валентных связей, выдающийся американский химик-теоретик Лайнус Полинг, вместе с другим теоретиком Г. Оддо предсказал существование фторидных и кислородных соединений криптона и ксенона. Оба ученые считали, что энергий и длины химических связей, а также возможные расположения атомов позволят создавать такие соединения. Они назвали формулы некоторых возможных соединений благородных газов: КrF 6 , ХеF 6 , Н 4 XеO 6 . С тех пор прошло почти 30 лет и вот … В 1962 г. канадский химик Н. Бартлетт, изучая свойства гексафторида платины – РtF 6 , обнаружил, что это соединение чрезвычайно агрессивное и отрывает электрон даже от молекулы кислорода, после чего образуется очень интересное комплексное соединение O 2 РtF 6 . В ней молекула кислорода находится в виде редкого однозарядного катиона. Тогда Бартлет вспомнил, что энергия ионизации молекулы кислорода близка к энергии ионизации атома «химического лентяя» ксенона. Так почему же в таком случае не попробовать сочетать ксенон с гексафторидом платины? Оказалось, что эти вещества легко сочетаются уже при комнатной температуре, образуя кирпично-красное твердое соединение. Оно сублимируется в вакууме, не разлагаясь, а в воде гидролизуется. Бартлет думал, что он синтезировал XeРtF 6 — вещество, аналогичное O 2 РtF 6 . Однако позже выяснилось, что формула этого соединения несколько сложнее.
Эти интереснейшие опыты дали толчок к основательному и всестороннему изучению химии благородных газов. Было установлено, что недолговечны при обычных условиях гексафториды рутения, родия и плутония легко вступают в химическое взаимодействие с ксеноном и образуют устойчивые соединения: ХеRuF 6 , ХеRhF 6 и ХеPuF 6 . Исследователи обнаружили, что при температуре 400-600 °С или облучении ультрафиолетовыми лучами ксенон сочетается с агрессивным неметаллом фтором и образует бесцветные кристаллы. Состав синтезированных кристаллов зависит от условий их добычи и соответствует формулам: ХеF 2 , ХеF 4 и ХеF 6 .
Тетрафторид ксенона синтезировали пропусканием смеси газов сквозь раскаленную докрасна никелевую трубку, потому свободный фтор никеля не разъедает:
Хе + 2F 2 = ХеF 4 .
Газообразный тетрафторид ксенона ХеF 4 попадал в стеклянный сосуд-ловушку, который охлаждался «сухим льдом», смешанным с ацетоном. В холодной ловушке ХеF 4 кристаллизовался. ХеF 4 синтезировали и другим способом, а именно: пропусканием электрических разрядов через газовую смесь при температуре — 78 °С.
Дифторид ксенона добыли так: сквозь сапфировое окошко в никелевом реакторе смесь ксенона и фтора облучали ультрафиолетовым светом, которое вызвало цепную реакцию. Почему же окошко для реактора изготавливали из сапфира, а не из кварца, который также прекрасно пропускает ультрафиолетовые лучи? Дело в том, что кварц разъедается фтором и фторидами ксенона а сапфир — нет.
Интересно, что ХеF 2 удастся синтезировать и без свободного фтора. Для этого достаточно пропускать электрические разряды через смесь ксенона с такими фторидным соединениями, как СF 4 , СF 2 Сl 2 . ХеF 2 имеет характерный запах, вызывающий тошноту.
ХеF 2 , ХеF 4 и ХеF 6 — сильнейшие окислители. С помощью дифторида ксенона впервые в истории химии повезло синтезировать перброматы — соли перброматной кислоты HВrO 4 , а из них добыть и саму кислоту — соединения, которые раньше были совершенно неизвестны:
NaBrO 3 + XeF 2 + 2NaOH = NaBrO 4 + Xe + 2NaF + H 2 O
Нагревая смесь ксенона с фтором в молярном соотношении 1:10 до 620 °С под давлением 200 атм, химики добыли желтое вещество ХеF 8 — октафторид ксенона. Он существует лишь при очень низких температурах и уже при 77 К легко разлагается:
XеF 8 = ХеF 6 + F 2 .
Тетрафторид ксенона — наиболее устойчивый среди подобных фторидов, однако от контакта с серой, а также сахаром, ватой, бумагой и многими другими органическими соединениями сильно взрывается, подобно взрывчатых смесей горючих веществ с бертолетовой солью.
Фториды ксенона обычно хранят в никелевой или тефлоновой таре. Для хранения ХеF 2 и ХеF 4 пригодны также тщательно высушенные кварцевые сосуды, потому фториды ксенона разлагаются влагой и выделяют фтороводород, который разъедает кварц.
Все фторидные соединения ксенона, а особенно ХеF 2 , — летучие соединения, причем газообразные ХеF 2 и ХеF 4 — бесцветные, а ХеF 6 — желтозеленый.
Кроме фторидов ксенона, химикам удалось также синтезировать и его хлорид. Дело было так: в стеклянную трубку под высоким давлением нагнетали смесь ксенона и хлора, после чего трубку запаивали.
Реакция между газами происходила довольно медленно, однако уже через несколько дней на стенках трубки появился блестящий налет, а затем и небольшое количество кристаллов, которые своей формой напоминали иглы:
Хе + С1 2 = ХеС1 2 .
Сейчас известно много соединений ксенона, таких как ХеОF 4 , ХеO 2 F 2 ХеО 3 , ХеO 4 , Na 4 ХеO 6 , Nа 4 ХеО 5 , Хе(СlO 4) 2 .
Из других благородных газов сочетаться с фтором способен радон и значительно хуже криптон.
В закрытом никелевом сосуде химики нагревали радон с фтором при 400 °С, а затем охлаждали до нормальной температуры. И что же оказалось? Радон не выделялся из сосуда, пока температура ее стенок составляла менее 250 °С. Исследователи сделали вывод, что радон с фтором образует фторид радона, который значительно менее летуч, чем фториды легкого газа ксенона. При температуре ниже 500 °С, фторид радона, а возможно, смесь его фторидов, полностью восстанавливается водородом. Состав и структура фторида радона пока не выяснены, поскольку химикам приходится работать с ничтожными количествами радона — не более 1 мкг. К тому же радон очень радиоактивен.
Ученые считают, что радон может образовывать такие галогениды, как RnСl 2 , RnF 2 , RnF 4 , RnCl 4 , RnF 6 .
Экспериментальное искусство современных химиков победило и инертность криптона. Правда, криптон нанес ученым немало хлопот, ведь нагрев и повышенное давление здесь совсем не помогали. Тогда химики обратились к низким температурам и давлению, ультрафиолетовых лучей, пучков электронов и электрического разряда. Так, действуя электрическим разрядом на смеси криптона с фтором, удалось синтезировать тетрафторид криптона КrF 4 — бесцветное кристаллическое вещество, термически менее устойчивое, чем ХеF 4 . Оно хранится длительное время без разложения лишь при температуре -78 °С и ниже. При комнатной температуре КrF 4 быстро разлагается водой:
КrF 4 + 2Н 2 О = Кr + O 2 + 4HF.
Эта реакция является не что иное, как окисление кислорода, входящего в состав воды.
Химики синтезировали также дифторид криптона КrF 2 . Это белое кристаллическое вещество устойчивое при температуре ниже от -78 °С. Как сильный фторидный агент и окислитель КrF 2 чрезвычайно живо реагирует с органическими веществами. Бумага, вата, эфир, спирт, ацетон и т.п. от контакта с КrF 2 занимаются. КrF 2 является также сильным окислителем и неорганических веществ. Он окисляет соляную кислоту с выделением хлора, окисляет и фторирует йод и даже ксенон:
3КrF 2 + Хе = 3Кr + ХеF 6 .
В последнее время в лабораториях мира соединения благородных газов широко исследуются. В химической литературе сообщалось о возможности синтеза даже таких соединений, как НеF, HеF 2 , HеО, NeF 2 , NeO. Однако некоторые из ученых утверждает, что эти соединения вряд ли можно добыть, поскольку, как показывают теоретические расчеты, их молекулы будут иметь такой большой запас энергии, буквально взрываться. Удастся ли в действительности добыть когда-то такие соединения гелия, неона, а также аргона, покажут исследования в будущем.
После того как в химии благородных газов появились настоящие химические соединения, ученые задумались над природой химических связей в них. Как, в частности, объяснить существование этих загадочных, на первый взгляд, соединений, исходя из теоретических представлений о чрезвычайной энергетической устойчивости завершенных электронных оболочек? Само собой напрашивалось предположение, что, возможно, атомы благородных газов способны образовывать какие-то необычные химические связи или же им присуще некое особое расположение электронов по сравнению с другими химическими элементами. Исследователи из разных стран тщательно исследовали строение синтезированных соединений ксенона и криптона самыми разнообразными физическими методами, которые только знает современная наука.
К большому удивлению, ничего необычного ни в химических связях, ни в строении этих веществ они не нашли. Оказалось, что соединения благородных газов очень напоминают давно известны соединения других элементов, прежде всего галогенов. Так, по длине химических связей, за их прочностью, по форме молекул фториды ксенона напоминают фториды йода, соседа ксенона по периодической системе.
В атомах благородных газов от гелия до радона атомные радиусы растут, потому увеличивается количество электронных оболочек и соответственно слабее притягиваются ядром электроны внешней оболочки. В атомах криптона, ксенона, а особенно радона внешние электроны слабо связаны с ядрами. Поэтому при определенных условиях (от нагревания, воздействия света или радиации) внешние электронные оболочки криптона, ксенона и радона возбуждаются. А поскольку у атомов благородных газов внешние электронные оболочки целиком заполнены, они могут соединяться с другими элементами, образуя ковалентные связи. В частности, в фторидов благородных газов валентные оболочки должны иметь больше восьми электронов. Следовательно, представление, будто 8 — максимальное число электронов на внешней оболочке, в значительной степени устарело. В частности, в молекуле XeF 2 валентная оболочка ксенона содержит 10 электронов (2 ковалентных связи и 3 неразделенные электронные пары), а в молекулиXeF 4 — 12 электронов (4 ковалентные связи и 2 неразделенные пары). Синтез химических соединений благородных газов — один из виднейших открытий в химии XX века. «Над таблицей Менделеева навис кошмар фторидов ксенона!» — Испуганно воскликнул один известный ученый. Но пугаться было нечего. Благородные газы, которые ранее считались инертными, перестали быть «химическими лентяями» и перешли к классу обычных химических элементов. Этим самым наконец развенчали миф об абсолютной химической инертности благородных газов, царивший в химии протяжении семидесяти лет.
После открытия благородных газов их разместили в отдельной группе, нулевой, поскольку эти газы упорно отказывались соединяться с другими элементами, а следовательно, проявляли нулевую валентность, а точнее никакой. Нулевую группу размещали по-разному: то в начале (перед I группой), то в конце периодической системы (после VIII группы химических элементов). Как бы то ни было, но введение ее в таблицу Менделеева не было вынужденной мерой или какой прихоти ученых. Без нее периодическая система была бы незавершенной.
Когда же были синтезированы соединения этих элементов, встала проблема перестройки периодической системы. В атомов всех благородных газов за исключением гелия, на внешней оболочке есть по восемь электронов. А раз так, то эти элементы должны образовывать главную подгруппу VIII группы. На то, что благородные газы должны входить именно в VIII группу, указывает также своеобразная химическая природа этих элементов, особенно ксенона. Так, с одной стороны, ксенон образует комплексные соединения, в которых он несколько напоминает щелочные металлы в подобных соединениях, с другой стороны, химические соединения ксенона и криптона очень похожи на соединения галогенов, особенно йода. И, наконец, они несколько схожи с металлами VIII группы.
Как видим, двойная химическая природа благородных газов указывает на то, что они должны размещаться между элементами І и VII групп. Кроме того, повышенную инертность имеют не только благородные газы. Платиновые металлы и золото хотя и не входят в нулевой группе, однако химически очень пассивные. Следовательно, и благородные газы, и металлы семей платины и железа необходимо и целесообразно объединить в одну VIII группу, а нулевую группу нужно вообще ликвидировать.
Название «инертные» оказалась непригодной для элементов главной подгруппы VIII группы. Более точные названия для бывших «химических лентяев» — «редкие газы», или «благородные газы».
Человек, наверное, найдет применение соединениям благородных газов. Радон, как известно, используют для лучевой терапии. Очевидно, что устойчивые и фториды радона также использовать в медицине.
В состав ядерного топлива входят радиоактивные криптон и ксенон. В среднем при расщеплении 4 ядер урана образуется одно ядро криптона и одно ядро ксенона. Эти опасные радиоактивные газы можно улавливать и связывать в виде фторидов. И ксенон, и фтор очень удобно хранить в форме ксеноновых фторидов. Эти соединения ксенона и фтора можно с успехом использовать как энергичные окислители. Восстановление фторидов ксенона позволяет добывать ксенон в очень чистом виде.
Триоксид ксенона ХеО 3 , что взрывается с такой же силой, как и тротил, может применяться как мощная взрывчатка. Ксенонаты и перксенонаты в недалеком будущем займут место в лабораторной и производственной практике как сильные окислители в различных химических процессах.
Британская Международная Школа
Реферат по химии
“Инертные газы и их свойства”
Ученика 9 б класса
Соколенко Алексея
Руководитель:
Чернышева И.В.
IВступление……………………………………………………………………………2
1.1 Инертные газы – элементы VIIIА группы……………………………………...2
1.2 Аргон на земле и во вселенной………………………………………………….5
IIИстория открытия газов…………………………………………………..................7
2.1 Аргон………………………………………………………………………………7
2.2 Гелий…………………..…………………………………………………………..8
2.3 Криптон………………………………………………………..…………………..9
2.4 Неон……………………………………………………………..…………………9
2.5 Ксенон……………………………………………………………….…………….9
2.6 Радон………………………………………………………………..…………….10
IIIСвойства инертных газов и их соединений…………………………………….....10
3.1 Физические свойства инертных газов………………………………………….10
3.2 Химические свойства инертных газов……………………………………….....11
3.3 Получение Аргона…………………………………………………...…………..14
3.4 Физиологические свойства инертных газов……………………………………15
IVПрименение инертных газов…………………………………………………..…..16
Список использованной литературы………………………………………………....18
IВступление.
Везде и по всюду нас окружает атмосферный воздух. Из чего он состоит? Ответ не составляет труда: из 78,08 процента азота, 20,9 процента кислорода, 0,03 процента углекислого газа, 0,00005 процента водорода, около 0,94 процента приходится на долю так называемых инертных газов. Последние были открыты всего лишь в конце прошлого столетия.
Радон образуется при радиоактивном распаде радия и в ничтожных количествах встречается в содержащих уран материалах, а также в некоторых природных водах. Гелий являющийся продуктом радиоактивного α-распада элементов, иногда в заметном количества содержится в природном газе и газе, выделяющемся из нефтяных скважин. В огромных количествах этот элемент содержится на Солнце и на других звездах. Это второй элемент по распространенности во вселенной (после водорода).
1.1 Инертные газы – элементы 8А группы.
Конфигурация внешнего электронного слоя атомов гелия 1s 2 , остальных элементов подгруппы VIII – ns 2 np 6 .
1.2 Аргон на земле и во вселенной.
На Земле аргона намного больше, чем всех прочих элементов его группы, вместе взятых. Его среднее содержание в земной коре (кларк) в 14 раз больше, чем гелия, и в 57 раз больше, чем неона. Есть аргон и в воде, до 0,3 см 3 в литре морской и до 0,55 см 3 в литре пресной воды. Любопытно, что в воздухе плавательного пузыря рыб аргона находят больше, чем в атмосферном воздухе. Это потому, что в воде аргон растворим лучше, чем азот... Главное «хранилище» земного аргона – атмосфера. Его в ней (по весу) 1,286%, причем 99,6% атмосферного аргона – это самый тяжелый изотоп – аргон-40. Еще больше доля этого изотопа в аргоне земной коры. Между тем у подавляющего большинства легких элементов картина обратная – преобладают легкие изотопы. Причина этой аномалии обнаружена в 1943 г. В земной коре находится мощный источник аргона-40 – радиоактивный изотоп калия 40 К. Этого изотопа на первый взгляд в недрах немного – всего 0,0119% от общего содержания калия. Однако абсолютное количество калия-40 велико, поскольку калий – один из самых распространенных на нашей планете элементов. В каждой тонне изверженных пород 3,1 г калия-40. Радиоактивный распад атомных ядер калия-40 идет одновременно двумя путями. Примерно 88% калия-40 подвергается бета распаду и превращается в кальций-40. Но в 12 случаях из 100 (в среднем) ядра калия-40 не излучают, а, наоборот, захватывают по одному электрону с ближайшей к ядру К-орбиты («К-захват»). Захваченный электрон соединяется с протоном – образуется новый нейтрон в ядре и излучается нейтрино. Атомный номер элемента уменьшается на единицу, а масса ядра остается практически неизменной. Так калий превращается в аргон. Период полураспада 40 К достаточно велик – 1,3 млрд лет. Поэтому процесс образования 40 Аr в недрах Земли будет продолжаться еще долго, очень долго. Поэтому, хотя и чрезвычайно медленно, но неуклонно будет возрастать содержание аргона в земной коре и атмосфере, куда аргон «выдыхается» литосферой в результате вулканических процессов, выветривания и перекристаллизации горных пород, а также водными источниками. Правда, за время существования Земли запас радиоактивного калия основательно истощился – он стал в 10 раз меньше (если возраст Земли считать равным 4,5 млрд лет.). Соотношение изотопов 40 Аr: 40 К и 40 Ar: 36 Аr в горных породах легло в основу аргонного метода определения абсолютного возраста минералов. Очевидно, чем больше эти отношения, тем древнее порода. Аргонный метод считается наиболее надежным для определения возраста изверженных пород и большинства калийных минералов. За разработку этого метода профессор Э.К. Герлинг в 1963 году удостоен Ленинской премии. Итак, весь или почти весь аргон-40 произошел на Земле от калия-40. Поэтому тяжелый изотоп и доминирует в земном аргоне. Этим фактором объясняется, кстати, одна из аномалий периодической системы. Вопреки первоначальному принципу ее построения – принципу атомных весов – аргон поставлен в таблице впереди калия. Если бы в аргоне, как и в соседних элементах, преобладали легкие изотопы (как это, по-видимому, имеет место в космосе), то атомный вес аргона был бы на две-три единицы меньше... Теперь о легких изотопах. Откуда берутся 36 Аr и 38 Аr? Не исключено, что какая-то часть этих атомов реликтового происхождения, т.е. часть легкого аргона пришла в земную атмосферу из космоса при формировании нашей планеты и ее атмосферы. Но большая часть легких изотопов аргона родилась на Земле в результате ядерных процессов. Вероятно, еще не все такие процессы обнаружены. Скорее всего некоторые из них давно прекратились, так как исчерпались короткоживущие атомы-«родители», но есть и поныне протекающие ядерные процессы, в которых рождаются аргон-36 и аргон-38. Это бета-распад хлора-36, обстрел альфа-частицами (в урановых минералах) серы-33 и хлора-35:
36 17 Cl β – → 36 18 Ar + 0 –1 e + ν.
33 16 S + 4 2 He → 36 18 Ar + 1 0 n .
35 17 Cl + 4 2 He → 38 18 Ar + 1 0 n + 0 +1 e .
В материи Вселенной аргон представлен еще обильнее, чем на нашей планете. Особенно много его в веществе горячих звезд и планетарных туманностей. Подсчитано, что аргона в космосе больше, чем хлора, фосфора, кальция, калия – элементов, весьма распространенных на Земле. В космическом аргоне главенствуют изотопы 36 Аr и 38 Аr, аргона-40 во Вселенной очень мало. На это указывает масс-спектральный анализ аргона из метеоритов. В том же убеждают подсчеты распространенности калия. Оказывается, в космосе калия примерно в 50 тыс. раз меньше, чем аргона, в то время как на Земле их соотношение явно в пользу калия – 660: 1. А раз мало калия, то откуда же взяться аргону-40?!
IIИстория открытия инертных газов.
К концу 18 века были обнаружены многие из известных газов. К ним относились: кислород – газ, поддерживающий горение; углекислый газ – его можно было легко обнаружить по весьма примечательному свойству: он мутил известковую воду; и, наконец, азот, горение не поддерживающий и на известковую воду не действующий. Таков был представлении химиков того времени состав атмосферы, и некто, кроме известного английского ученого лорда Кавендиша, не сомневался в этом.
И у него был повод для сомнения.
В 1785 году он проделал довольно простой опыт. Прежде всего он удалил из воздуха углекислый газ. На оставшуюся смесь азота и кислорода он подействовал электрической искрой. Азот, реагируя с кислородом, давал бурные пары оксидов азота, которые, растворяясь в воде, превращались в азотную кислоту. Эта операция повторялась многократно.
Однако немного менее одной сотой части объема воздуха, взятого для опыта, оставалась неизменной. К сожалению, этот эпизод был забыт не многие годы.
В 1785 г. английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенно устойчивый химически. На долю этого газа приходилась примерно одна сто двадцатая часть объема воздуха. Но что это за газ, Кавендишу выяснить не удалось. Об этом опыте вспомнили 107 лет спустя, когда Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей) натолкнулся на ту же примесь, заметив, что азот воздуха тяжелее, чем азот, выделенный из соединений. Не найдя достоверного объяснения аномалии, Рэлей через журнал «Nature» обратился к коллегам-естествоиспытателям с предложением вместе подумать и поработать над разгадкой ее причин...Спустя два года Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно есть примесь неизвестного газа, более тяжелого, чем азот, и крайне инертного химически. Когда они выступили с публичным сообщением о своем открытии, это произвело ошеломляющее впечатление. Многим казалось невероятным, чтобы несколько поколений ученых, выполнивших тысячи анализов воздуха, проглядели его составную часть, да еще такую заметную – почти процент! Кстати, именно в этот день и час, 13 августа 1894 г., аргон и получил свое имя, которое в переводе с греческого значит «недеятельный». Его предложил председательствовавший на собрании доктор Медан. Между тем нет ничего удивительного в том, что аргон так долго ускользал от ученых. Ведь в природе он себя решительно ничем не проявлял! Напрашивается параллель с ядерной энергией: говоря о трудностях ее выявления, А. Эйнштейн заметил, что нелегко распознать богача, если он не тратит своих денег... Скепсис ученых был быстро развеян экспериментальной проверкой и установлением физических констант аргона. Но не обошлось без моральных издержек: расстроенный нападками коллег (главным образом химиков) Рэлей оставил изучение аргона и химию вообще и сосредоточил свои интересы на физических проблемах. Большой ученый, он и в физике достиг выдающихся результатов, за что в 1904 г. был удостоен Нобелевской премии. Тогда в Стокгольме он вновь встретился с Рамзаем, который в тот же день получал Нобелевскую премию за открытие и исследование благородных газов, в том числе и аргона.
 |
В феврале 1895 года Размай получил письмо от лондонского метеоролога Маерса, где тот сообщал об опытах американского геолога Гиллебранда, который кипятил в серной кислоте редкие минералы урана и наблюдал выделение газа, по свойствам своим напоминающий азот. Чем больше урана содержится в минералах, тем больше выделялось газа. Гиллебранд условно предположил, что этот газ является азотом. “А может быть это аргон?” – спрашивал автор письма.
Вскоре Размай послал своих помощников в лондонские химические магазины за урановым минералом клевеитом. Было куплено 30 грамм клевеита, и в тот же день Размай со своим помощником Метьюзом извлек несколько кубических сантиметров газа. Размай подверг этот газ спектраскопическому исследованию. Он увидел яркую желтую линию, очень похожую на линию натрия и в тоже время отличающуюся от нее по своему положению в спектре. Размай был на столько удивлен, что разобрал спектроскоп, почистил его, но при новом опыте снова обнаружил яркую желтую линию, не совпадавшую с линей натрия. Размай просмотрел спектры всех элементов. Наконец он вспомнил о загадочной линии в спектре солнечной короны.
 |
В 1868 году во время солнечного затмения французский исследователь Жансен и англичанин Локьер обнаружили в спектре солнечных протуберанцев яркую желтую линию, которой не оказалось в земном спектре источников света. В 1871 году Локьер высказал предположение, не принадлежит ли эта линия спектру неизвестного на Земле вещества.
Он назвал этот гипотетический элемент гелием, то есть “солнечным”. Но на земле он обнаружен не был. Физики и химики им не заинтересовались: на Солнце, мол, совершенно другие условия, там и водород сойдет за гелий.
Так неужели в его руках этот самый гелий? Размай почти уверен в этом, но он хочет услышать подтверждение от известного спектроскописта Крукса. Размай посылает ему газ на исследование и пишет о том, что нашел какой-то новый газ, названый им криптоном, по-гречески означает “скрытый”. Телеграмма от Крукса гласила: “Криптон есть гелий”.
2.3 Криптон.
 |
К 1895 году открыли два инертных газа. Было ясно, что между ними должен находится еще один газ, свойства которого Размай описал по примеру Менделеева. Лекок де Буабодран предсказал даже вес неоткрытого газа – 20,0945.
И неизвестно, обнаружил бы ученый новые инертные газы, если бы во время его поисков Линде в Генмании и Хемпсон в Англии не взяли одновременно патент на машину, сжижжающую воздух.
Эта машина словно была специально создана для обнаружения инертных газов. Принцип ее действия основан на известном физическом явлении, если сжать воздуж, в затем дать ему быстро расшириться, он охлаждается. Охлажденным воздухом охлаждают новую порцию воздуха, поступающую в машину, и т.д., пока воздух не превратится в жидкость.
Испарив почти весь азот и кислород, Размай оставшийся жидкий воздух поместил в газометр. Он думал найти в нем гелий, так как считал, что этот газ испаряется медленнее, чем кислород и азот. Он очистил газ в газометре от примеси кислорода и азота и снял спектр, в котором снял две ранее не известных линии.
Далее Размай поместил 15 литров аргона в баллоне в жидкий воздух. Для того чтобы найти инертный газ, по расчетам, более легкий, чем аргон и криптон, Размай собрал первые порции испарения аргона. Получился новый спектр с ярко-красными линиями. Размай назвал выделенный газ неоном, что по-гречески означает “новый”.
Далее Размай поместил 15 литров аргона в баллоне в жидкий воздух. Для того чтобы найти инертный газ, по расчетам, более легкий, чем аргон и криптон, Размай собрал первые порции испарения аргона. Получился новый спектр с ярко-красными линиями. Размай назвал новый газ неоном, что по-гречески означает “новый”.
2.5 Ксенон.
В 1888 году помощник Размая Треверс построил машину способную давать температуру -253 0 С. С помощью ее был получен твердый аргон. Были отогнаны все газы, кроме криптона. И уже в неочищенном криптоне был найден ксенон (“чужой”). Для того чтобы получить 300 кубических сантиметров ксенона, ученым пришлось в течении 2 лет переработать 77,5 миллиона литров атмосферного воздуха.
Уже было сказано, что гелий присутствует в урановых минералах. Чем больше в клевеите урана, тем больше гелия. Размай долго пытался найти взаимосвязь между содержанием урана и гелия, но это ему не удалось. Разгадка пришла с другой стороны; она была связана с открытием радиоактивности.
Обнаружили, что радий выделяет газообразное вещество, названное эманацией. 1 грамм радия в сутки выделял один кубический миллиметр эманации. В 1903 году Размай и известный физик Содди занялись изучением эманации. Они имели в своем распоряжении всего 50 миллиграммов бромистого радия; одновременно у них было не более 0.1 кубического миллиметра эманации.
Для выполнения работ Размай построил сверхчувствительные весы, показывающие четыре миллиардные доли грамма. Вскоре исследователи выяснили, что эманация является последним представителем семейства инертных газов.
Им долго не удавалось рассмотреть спектр эманации. Как-то, оставив трубку с эманацией на несколько дней, они поставили ее в спектроскоп и были удивлены, увидев в спектроскопе известные линии гелия.
Этот факт подтвердил предположение Резерфорда и Содди о том, что радиоактивное превращение связано с превращением атомов. Радий, самопроизвольно распадался, превращался в эманацию и выделял ядро атома гелия. Один элемент превращался в другой.
Ученым стало понятно, почему гелий обнаруживается в урановых материалах; он один из продуктов распада урана. В 1923 году по решению Международного комитета по химическим элементам эманация была переименована в радон.
IIIСвойства инертных газов и их соединений.
3.1 Физические свойства инертных газов.
Благородные газы – бесцветные одноатомные газ без цвета и запаха.
Инертные газы обладают более высокой электропроводностью по сравнению с другими газами и при прохождении через них тока ярко светятся: гелий ярко-жёлтым светом, потому что в его сравнительно простом спектре двойная жёлтая линия преобладает над всеми другими; неон огненно красным светом, так как самые яркие его линии лежат в красной части спектра.
Насыщенный характер атомных молекул инертных газов сказывается и в том, что инертные газы имеют более низкие точки сжижения и замерзания, чем другие газы с тем же молекулярным весом. Из подгруппы тяжелых инертных газов аргон самый легкий. Он тяжелее воздуха в 1,38 раза. Жидкостью становится при – 185,9°C, затвердевает при – 189,4°C (в условиях нормального давления).
В отличие от гелия и неона, он довольно хорошо адсорбируется на поверхностях твердых тел и растворяется в воде (3,29 см 3 в 100 г воды при 20°C). Еще лучше растворяется аргон во многих органических жидкостях. Зато он практически нерастворим в металлах и не диффундирует сквозь них.
3.2 Химические свойства инертных газов.
Долгое время не находили условий, при которых благородные газы могли бы вступать в химическое взаимодействие. Они не образовывали истинных химических соединений. Иными словами их валентность равнялась нулю. На этом основании было решено новую группу химических элементов считать нулевой. Малая химическая активность благородных газов объясняется жёсткой восьмиэлектронной конфигурацией внешнего электронного слоя. Поляризуемость атомов растёт с увеличением числа электронных слоёв. Следовательно, она должна увеличиваться при переходе от гелия к радону. В этом же направлении должна увеличиваться и реакционная способность благородных газов.
Так, уже в 1924 году высказывалась идея, что некоторые соединения тяжелых инертных газов (в частности, фториды и хлориды ксенона) термодинамически вполне стабильны и могут существовать при обычных условиях. Через девять лет эту идею поддержали и развили известные теоретики - Полинг и Оддо. Изучение электронной структуры оболочек криптона и ксенона с позиций квантовой механики привело к заключению, что эти газы в состоянии образовывать устойчивые соединения с фтором. Нашлись и экспериментаторы, решившие проверить гипотезу, но шло время, ставились опыты, а фторид ксенона не получался. В результате почти все работы в этой области были прекращены, и мнение об абсолютной инертности благородных газов утвердилось окончательно.
Однако в 1961 году Бартлетт, сотрудник одного из университетов Канады, изучая свойства гексафторида платины, соединения более активного, чем сам фтор, установил, что потенциал ионизации у ксенона ниже, чем у кислорода (12, 13 и 12, 20 эв соответственно). Между тем кислород образовывал с гексафторидом платины соединение состава O 2 PtF 6 ... Бартлетт ставит опыт и при комнатной температуре из газообразного гексафторида платины и газообразного ксенона получает твердое оранжево - желтое вещество - гексафторплатинат ксенона XePtF 6 , поведение которого ничем не отличается от поведения обычных химических соединений. При нагревании в вакууме XePtF 6 возгоняется без разложения, в воде гидролизуется, выделяя ксенон:
2XePtF 6 + 6Н 2 О = 2Хе + О 2 + 2PtО 2 + 12HF
Последующие работы Бартлетта позволили установить, что ксенон в зависимости от условий реакции образует два соединения с гексафторидом платины: XePtF 6 и Xe (PtF 6) 2 ; при гидролизе их получаются одни и те же конечные продукты. Убедившись, что ксенон действительно вступил в реакцию с гексафторидом платины, Бартлетт выступил с докладом и в 1962 году опубликовал в журнале “Proceedings of the Chemical Society” статью, посвященную сделанному им открытию. Статья вызвала огромный интерес, хотя многие химики отнеслись к ней с нескрываемым недоверием. Но уже через три недели эксперимент Бартлетта повторила группа американских исследователей во главе с Черником в Аргоннской национальной лаборатории. Кроме того, они впервые синтезировали аналогичные соединения ксенона с гексафторидами рутения, родия и плутония. Так были открыты первые пять соединений ксенона: XePtF 6 , Xe (PtF 6) 2 , XeRuF 6 , XeRhF 6 , XePuF 6 - миф об абсолютной инертности благородных газов развеян и заложено начало химии ксенона.Настало время проверить правильность гипотезы о возможности прямого взаимодействия ксенона с фтором.
Смесь газов (1 часть ксенона и 5 частей фтора) поместили в никелевый (поскольку никель наиболее устойчив к действию фтора) сосуд и нагрели под сравнительно небольшим давлением. Через час сосуд быстро охладили, а оставшийся в нем газ откачали и проанализировали. Это был фтор. Весь ксенон прореагировал! Вскрыли сосуд и обнаружили в нем бесцветные кристаллы XeF 4 . Тетрафторид ксенона оказался вполне устойчивым соединением, молекула его имеет форму квадрата с ионами фтора по углам и ксеноном в центре. Тетрафторид ксенона фторирует ртуть:
ХеF 4 + 2Hg = Хe + 2HgF 2
Платина тоже фторируется этим веществом, но только растворенным во фтористом водороде.
Интересно в химии ксенона то, что, меняя условия реакции, можно получить не только XeF 4 , но и другие фториды-XeF 2 , XeF 6 .
Советские химики В. М. Хуторецкий и В. А. Шпанский показали, что для синтеза дифторида ксенона совсем не обязательны жесткие условия. По предложенному ими способу смесь ксенона и фтора (в молекулярном отношении 1:1) подается в сосуд из никеля или нержавеющей стали, и при повышении давления до 35 атм начинается самопроизвольная реакция.
XeF 2 - единственный фторид ксенона, который можно получить, не пользуясь элементарным фтором. Он образуется при действии электрического разряда на смесь ксенона и четырехфтористого углерода. Возможен, конечно, и прямой синтез. Очень чистый ХеF 2 получается, если смесь ксенона и фтора облучить ультрафиолетом. Растворимость дифторида в воде невелика, однако раствор его - сильнейший окислитель. Постепенно он саморазлагается на ксенон, кислород и фтористый водород; особенно быстро разложение идет в щелочной среде. Дифторид имеет резкий специфический запах. Большой теоретический интерес представляет метод синтеза дифторида ксенона, основанный на воздействии на смесь газов ультрафиолетового излучения (длина волн порядка 2500-3500 А). Излучение вызывает расщепление молекул фтора на свободные атомы. В этом и заключается причина образования дифторида: атомарный фтор необычайно активен. Для получения XeF 6 требуются более жесткие условия: 700° С и 200 атм. В таких условиях в смеси ксенона и фтора (отношение от 1:4 до 1:20) практически весь ксенон превращается в XeF 6 . Гексафторид ксенона чрезвычайно активен и разлагается со взрывом. Он легко реагируете фторидами щелочных металлов (кроме LiF):
XeF 6 + RbF = RbXeF 7 ,
но при 50° С эта соль разлагается:
2RbXeF 7 = XeF 6 + Rb 2 XeF 8
Сообщалось также о синтезе высшего фторида XeF 8 , устойчивого лишь при температуре ниже минус 196° C.
Синтез первых соединений ксенона поставил перед химиками вопрос о месте инертных газов в периодической системе. Прежде благородные газы были выделены в отдельную нулевую группу, что вполне отвечало представлению об их валентности. Но, когда ксенон вступил в химическую реакцию, когда стал известен его высший фторид, в котором валентность ксенона равна восьми (а это вполне согласуется со строением его электронной оболочки), инертные газы решили перенести в VIII группу. Нулевая группа перестала существовать.
Заставить ксенон вступить в реакцию без участия фтора (или некоторых его соединений) пока не удалось. Все известные ныне соединения ксенона получены из его фторидов. Эти вещества обладают повышенной реакционной способностью. Лучше всего изучено взаимодействие фторидов ксенона с водой. Гидролиз ХеF 4 в кислой среде ведет к образованию окиси ксенона ХеО 3 - бесцветных, расплывающихся на воздухе кристаллов. Молекула ХеО 3 имеет структуру приплюснутой треугольной пирамиды с атомом ксенона в вершине. Это соединение крайне неустойчиво; при его разложении мощность взрыва приближается к мощности взрыва тротила. Достаточно несколько сотен миллиграммов ХеО 3 , чтобы эксикатор разнесло в куски. Не исключено, что со временем трехокись ксенона будут использовать как взрывчатое вещество дробящего действия. Такая взрывчатка была бы очень удобна, потому что все продукты взрывной реакции - газы. Пока же использовать для этой цели трехокись ксенона слишком дорого - ведь ксенона в атмосфере меньше, чем золота в морской воде, и процесс его выделения слишком трудоемок. Напомним, что для получения 1 м 3 ксенона нужно переработать 11 млн. м 3 воздуха. Соответствующая трехокиси неустойчивая кислота шестивалентного ксенона H 6 XeO 6 образуется в результате гидролиза XeF 6 при 0° С:
XeF 6 + 6H 2 О = 6HF + H 6 XeO 6
Если к продуктам этой реакции быстро добавить Ва (ОН) 2 , выпадает белый аморфный осадок Ва 3 ХеО 6 . При 125° С он разлагается на окись бария, ксенон и кислород. Получены аналогичные соли-ксенонаты натрия и калия. При действии озона на раствор ХеО 3 в одномолярном едком натре образуется соль высшей кислоты ксенона Na 4 ХеО 6 . Перксенонат натрия может быть выделен в виде бесцветного кристаллогидрата Na4XeO6 · 6Н 2 О. К образованию перксенонатов приводит и гидролиз XeF 6 в гидроокисях натрия и калия. Если твердую соль Na 4 XeO 6 обработать раствором нитрата свинца, серебра или уранила, то получаются соответствующие перксенонаты: PbXeO 6 и (UO 2) 2XeO 6 желтого цвета и Ag 4 XeO 6 - черного. Аналогичные соли дают калий, литий, цезий, кальций.
Окисел, соответствующий высшей кислоте ксенона, получают взаимодействием Na 4 XeO 6 с безводной охлажденной серной кислотой. Это четырехокись ксенона ХеO 4 . В ней, как и в октафториде, валентность ксенона равна восьми. Твердая четырехокись при температуре выше 0° С разлагается на ксенон и кислород, а газообразная (при комнатной температуре) - на трехокись ксенона, ксенон и кислород. Молекула ХеO 4 имеет форму тетраэдра с атомом ксенона в центре. В зависимости от условий гидролиз гексафторида ксенона может идти двумя путями; в одном случае получается тетраоксифторид XeOF 4 , другом - диоксифторид XeO 2 F 2 . Прямой синтез из элементов приводит к образованию оксифторида ХеОF 2 . Все это бесцветные твердые вещества, устойчивые в обычных условиях.
Очень интересна изученная недавно реакция дифторида ксенона с безводной НС1O 4 . В результате этой реакции получено новое соединение ксенона ХеСlO 4 - чрезвычайно мощный окислитель, вероятно, самый сильный из всех перхлоратов.
Синтезированы также соединения ксенона, не содержащие кислорода. Преимущественно это двойные соли, продукты взаимодействия фторидов ксенона с фторидами сурьмы, мышьяка, бора, тантала: XeF 2 · SbF 5 , ХеF 6 · AsF 3 , ХеF 6 · ВF 3 и ХеF 2 · 2ТаF 5 . И наконец, получены вещества типа XeSbF 6 , устойчивые при комнатной температуре, и XeSiF 6 - нестойкий комплекс.
В распоряжении химиков имеются весьма незначительные количества радона, тем не мене удалось установить, что он также взаимодействует с фтором, образуя нелетучие фториды. Для криптона выделены и изучены дифторид KrF2 и тетрафторид KrF 4 по свойствам, напоминающим соединения ксенона.
3.3 Получение Аргона.
Земная атмосфера содержит 66 · 10 13 т аргона. Этот источник аргона неисчерпаем, тем более что практически весь аргон рано или поздно возвращается в атмосферу, поскольку при использовании он не претерпевает никаких физических или химических изменений. Исключение составляют весьма незначительные количества изотопов аргона, расходуемые на получение в ядерных реакциях новых элементов и изотопов. Получают аргон как побочный продукт при разделении воздуха на кислород и азот. Обычно используют воздухоразделительные аппараты двукратной ректификации, состоящие из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение), верхней колонны низкого давления и промежуточного конденсатора-испарителя. В конечном счете азот отводится сверху, а кислород – из пространства над конденсатором. Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтому аргонную фракцию отбирают в точке, находящейся примерно на трети высоты верхней колонны, и отводят в специальную колонну. Состав аргонной фракции: 10...12% аргона, до 0,5% азота, остальное – кислород. В «аргонной» колонне, присоединенной к основному аппарату, получают аргон с примесью 3...10% кислорода и 3...5% азота. Дальше следует очистка «сырого» аргона от кислорода (химическим путем или адсорбцией) и от азота (ректификацией). В промышленных масштабах ныне получают аргон до 99,99%-ной чистоты. Аргон извлекают также из отходов аммиачного производства – из азота, оставшегося после того, как большую его часть связали водородом. Аргон хранят и транспортируют в баллонах емкостью 40 л, окрашенных в серый цвет с зеленой полосой и зеленой надписью. Давление в них 150 атм. Более экономична перевозка сжиженного аргона, для чего используют сосуды Дюара и специальные цистерны. Искусственные радиоизотопы аргона получены при облучении некоторых стабильных и радиоактивных изотопов (37 Cl, 36 Аr, 40 Аr, 40 Са) протонами и дейтонами, а также при облучении нейтронами продуктов, образовавшихся в ядерных реакторах при распаде урана. Изотопы 37 Аr и 41 Аr используются как радиоактивные индикаторы: первый – в медицине и фармакологии, второй – при исследовании газовых потоков, эффективности спетом вентиляции и в разнообразных научных исследованиях. Но, конечно, не эти применения аргона самые важные.
3.4Физиологическое действие инертных газов.
Естественно было ожидать, что столь химически инертные вещества, как инертные газы, не должны влиять и на живые организмы. Но это не так. Вдыхание высших инертных газов (конечно в смеси с кислородом) приводит человека в состояние, сходное с опьянением алкоголем. Наркотическое действие инертных газов обуславливается растворением в нервных тканях. Чем выше атомный вес инертного газа, тем больше его растворимость и тем сильнее его наркотическое действие.
Теперь о влиянии аргона на живой организм. При вдыхании смеси из 69% Ar, 11% азота и 20% кислорода под давлением 4 атм возникают явления наркоза, которые выражены гораздо сильнее, чем при вдыхании воздуха под тем же давлением. Наркоз мгновенно исчезает после прекращения подачи аргона. Причина – в неполярности молекул аргона, повышенное же давление усиливает растворимость аргона в нервных тканях. Биологи нашли, что аргон благоприятствует росту растений. Даже в атмосфере чистого аргона семена риса, кукурузы, огурцов и ржи выкинули ростки. Лук, морковь и салат хорошо прорастают в атмосфере, состоящей из 98% аргона и только 2% кислорода.
IV Применение инертных газов.
Гелий является важным источником низких температур. При температуре жидкого гелия тепловое движение атомов и свободных электронов в твердых телах практически отсутствует, что позволяет изучать многие новые явления, например сверхпроводимость в твердом состоянии.
Газообразный гелий используют как легкий газ для наполнения воздушных шаров. Поскольку он негорюч, его добавляют к водороду для заполнения оболочки дирижабля.
Так как гелий хуже растворим в крови, чем азот, большие количества гелия применяют в дыхательных смесях для работ под давлением, например при морских погружениях, при создании подводных тоннелей и сооружений. При использовании гелия декомпрессия (выделение растворенного газа из крови) у водолаза протекает менее болезненно, менее вероятна кессонная болезнь, исключается такое явление, как азотный наркоз, – постоянный и опасный спутник работы водолаза. Смеси He–O 2 применяют, благодаря их низкой вязкости, для снятия приступов астмы и при различных заболеваниях дыхательных путей.
Гелий используют как инертную среду для дуговой сварки, особенно магния и его сплавов, при получении Si, Ge, Ti и Zr, для охлаждения ядерных реакторов.
Другие применения гелия – для газовой смазки подшипников, в счетчиках нейтронов (гелий-3), газовых термометрах, рентгеновской спектроскопии, для хранения пищи, в переключателях высокого напряжения. В смеси с другими благородными газами гелий используется в наружной неоновой рекламе (в газоразрядных трубках). Жидкий гелий выгоден для охлаждения магнитных сверхпроводников, ускорителей частиц и других устройств. Необычным применением гелия в качестве хладагента является процесс непрерывного смешения 3 He и 4 He для создания и поддержания температур ниже 0,005 K
Области применения ксенона разнообразны и порой неожиданны. Человек использует и его инертность и его чудесную способность вступать в реакцию со фтором. В светотехнике признание получили ксеноновые лампы высокого давления. В таких лампах светит дуговой разряд в ксеноне, находящемся под давлением в несколько десятков атмосфер. Свет в ксеноновых лампах появляется сразу после включения, он ярок и имеет непрерывный спектр - от ультрафиолетового до ближней области инфракрасного. Ксеноном пользуются и медики - при рентгеноскопических обследованиях головного мозга. Как и баритовая каша, применяющаяся при просвечивании кишечника, ксенон сильно поглощает рентгеновское излучение и помогает найти места поражения. При этом он совершенно безвреден. Активный изотоп элемента № 54, ксенон - 133, используют при исследовании функциональной деятельности легких и сердца.
Продувкой аргона через жидкую сталь из нее удаляют газовые включения. Это улучшает свойства металла.
Все шире применяется дуговая электросварка в среде аргона. В аргонной струе можно сваривать тонкостенные изделия и металлы, которые прежде считались трудносвариваемыми. Не будет преувеличением сказать, что электрическая дуга в аргонной атмосфере внесла переворот в технику резки металлов. Процесс намного ускорился, появилась возможность резать толстые листы самых тугоплавких металлов. Продуваемый вдоль столба дуги аргон (в смеси с водородом) предохраняет кромки разреза и вольфрамовый электрод от образования окисных, нитридных и иных пленок. Одновременно он сжимает и концентрирует дугу на малой поверхности, отчего температура в зоне резки достигает 4000-6000° С. К тому же эта газовая струя выдувает продукты резки. При сварке в аргонной струе нет надобности во флюсах и электродных покрытиях, а стало быть, и в зачистке шва от шлака и остатков флюса.
Неон и аргон используются, как наполнители в неоновых лампах и лампах дневного свата Криптоном наполняют обычные лампы с целью уменьшения испарения и увеличения яркости свечения вольфрамовой нити. Ксеноном наполняют кварцевые лампы высокого давления, являющиеся наиболее мощными источниками света. Гелий и аргон используется в газовых лазерах.
Список использованной литературы
1. Петров М.М., Михилев Л.А., Кукушкин Ю.Н. “Неорганическая химия”
2. Гузей Л.С. Лекции по общей химии”
3. Ахметов Н.С. “Общая и неорганическая химия”
4. Некрасов Б.В. “Учебник общей химии”
5. Глинка Н.Л. “Общая химия
6. Ходаков Ю.В. “Общая и неорганическая химия”
Главную подгруппу восьмой группы периодической системы составляют благородные газы - гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Эти элементы характеризуются очень низкой химической активностью, что и дало основание назвать их благородными, или инертными, газами. Они лишь с трудом образуют соединения с другими элементами или веществами; химические соединения гелия, неона и аргона не получены. Атомы благородных газов не соединены в молекулы, иначе говоря, их молекулы одноатомны.
Благородные газы заканчивают собой каждый период системы элементов. Кроме гелия, все они имеют в наружном электронном слое атома восемь электронов, образующих очень устойчивую систему. Также устойчива и электронная оболочка гелия, состоящая из двух электронов. Поэтому атомы благородных газов характеризуются высокими значениями энергии ионизации и, как правило, отрицательными значениями энергии сродства к электрону.
В табл. 38 приведены некоторые свойства благородных газов, а также их содержание в воздухе. Видно, что температуры сжижения и затвердевания благородных газов тем ниже, чем меньше их атомные массы или порядковые номера: самая низкая температура сжижения у гелия, самая высокая - у радона.
Таблица 38. Некоторые свойства благородных газов и их содержание в воздухе
До конца XIX века полагали, что воздух состоит только из кислорода и азота. Но в 1894 г. английский физик Дж. Рэлей установил, что плотность азота, полученного из воздуха (1,2572 ), несколько больше, чем плотность азота, полученного из его соединений (1,2505 ). Профессор химии У. Рамзай предположил, что разница в плотности вызвана присутствием в атмосферном азоте примеси какого-то более тяжелого газа. Связывая азот с раскаленным магнием (Рамзай) или вызывая действием электрического разряда его соединение с кислородом (Рэлей), оба ученых выделили из атмосферного азота небольшие количества химически инертного газа. Так был открыт неизвестный до того времени элемент, названный аргоном. Вслед за аргоном были выделены гелий, неон, криптон и ксенон, содержащиеся в воздухе в ничтожных количествах. Последний элемент подгруппы - радон - был открыт при изучении радиоактивных превращений.
Следует отметить, что существование благородных газов было предсказано еще в 1883 г., т. е. за 11 лет до открытия аргона, русским ученым II А. Морозовым (1854-1946), который за участие в революционном движении был в 1882 г. заключен царским правительством в Шлиссельбургскую крепость. Н. А. Морозов правильно определил место благородных газов в периодической системе, выдвинул представления о сложном строении атома, о возможности синтеза элементов и использования внутриатомной энергии. Из заключения Н. А. Морозов был освобожден в 1905 г., и его замечательные предвидения стали известны только в 1907 г. после издания его книги «Периодические системы строения вещества», написанной в одиночном заключении.
В 1926 г. Н. А. Морозов был избран почетным членом Академии наук СССР.
Долгое время считалось, что атомы благородных газов вообще неспособны к образованию химических связей с атомами других элементов. Были известны лишь сравнительно нестойкие молекулярные соединения благородных газов - например, гидраты , образующиеся при действии сжатых благородных газов на кристаллизующуюся переохлажденную воду. Эти гидраты принадлежат к типу клатратов (см. § 72); валентные связи при образовании подобных соединений не возникают.
Образованию клатратов с водой благоприятствует наличие в кристаллической структуре льда многочисленных полостей (см. § 70).
Однако в течение последних десятилетий было установлено, что криптон, ксенон и радон способны вступать в соединение с другими элементами и прежде всего с фтором. Так, прямым взаимодействием благородных газов с фтором (при нагревании или в электрическом разряде) получены фториды и . Все они представляют собой кристаллы, устойчивые при обычных условиях. Получены также производные ксенона в степени окисленности - гексафторид , триоксид , гидроксид . Последние два соединения проявляют кислотные свойства; так, реагируя со щелочами, они образуют соли ксеноновой кислоты, например: .
Благородные газы
Общие сведения об открытиях благородных газов
К благородным газам относятся гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. По своим свойствам они не похожи ни на какие другие элементы и в периодической системе располагаются между типичными металлами и неметаллами.
История открытия инертных газов представляет большой интерес: во-первых, как триумф введённых Ломоносовым количественных методов химии(открытие аргона), а во-вторых, как триумф теоретического предвидения (открытие остальных инертных газов), опирающегося на величайшее обобщение химии – периодический закон Менделеева.
Открытие физиком Рэлеем и химиком Рамзаем первого благородного газа – аргона – произошло в то время, когда построение периодической системы казалось завершённым и в ней оставалось лишь несколько пустых клеток.
Ещё 1785 году английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенно устойчивый химически. На долю этого газа приходилась примерно одна сто двадцатая часть объема воздуха. Но что это за газ, Кавендишу выяснить не удалось.
Спустя два года Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно есть примесь неизвестного газа, более тяжелого, чем азот, и крайне инертного химически. “Воздух при помощи раскалённой меди был лишён своего кислорода и затем нагрет с кусочками магния в трубочке. После того как значительное количество азота было поглощено магнием, была определена плотность остатка. Плотность оказалась в 15 раз больше плотности водорода, тогда как плотность азота только в 14 раз больше её. Эта плотность возрастала ещё по мере дальнейшего поглощения азота, пока не достигла 18. Этим было доказано, что воздух содержит газ, плотность которого больше плотности азота… Я получил 100 см 3 этого вещества и нашёл его плотность равной 19,9. Оно оказалось одноатомным газом.” Когда они выступили с публичным сообщением о своем открытии, это произвело ошеломляющее впечатление. Многим казалось невероятным, чтобы несколько поколений ученых, выполнивших тысячи анализов воздуха, проглядели его составную часть, да еще такую заметную - почти процент! Кстати, именно в этот день и час, 13 августа 1894 года, аргон и получил свое имя, которое в переводе с греческого значит “недеятельный”.
Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 П.Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия, первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1871 Дж.Локьер и П.Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов. Локьер и Э.Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. “гелиос”, что означает солнце. В то время не знали, что гелий – инертный газ, и предполагали, что это металл. И только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У.Рамзай и почти одновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что a -частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.
После этого открытия Рамзай пришёл к выводу, что существует целая группа химических элементов, которая располагается в периодической системе между щелочными металлами и галогенами. Пользуясь периодическим законом и методом Менделеева, было определено количество неизвестных благородных газов и их свойства, в частности их атомные массы. Это позволило осуществить и целенаправленные поиски благородных газов.
Вначале Рамзай и его сотрудники занялись минералами, природными водами, даже метеоритами. Результаты анализов неизменно оказывались отрицательными. Между тем-теперь мы это знаем-новый газ в них был. Но методами, существовавшими в конце прошлого века, эти “микроследы” не улавливались. Затем исследователи обратились к воздуху.
Всего за четыре последующих года было открыто четыре новых элемента, при этом неон, криптон и ксенон были выделены из воздуха.
Воздух, очищенный предварительно от углекислоты и влаги, сжижали, а затем начинали медленно испарять. Сначала “летят” более легкие газы. После испарения основной массы воздуха рассортировывают оставшиеся тяжелые инертные газы. Затем, полученные фракции исследовали. Одним из методов поиска был спектральный анализ: газ помещали в разрядную трубку, подключали ток и по линиям спектра определяли “кто есть кто”.
Когда в разрядную трубку поместили первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха, то в спектре наряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаружены новые линии, из них особенно яркими были красные и оранжевые. Они придавали свету в трубке огненную окраску. В момент, когда Рамзай наблюдал спектр только что полученного газа, в лабораторию вошел его двенадцатилетний сын, успевший стать “болельщиком” отцовых работ. Увидев необычное свечение, он воскликнул: “new one!” Так возникло название газа “неон”, по-древнегречески значит “новый”.
После того как были открыты гелий, неон и аргон, завершающие три первых периода таблицы Менделеева, уже не вызывало сомнений, что четвёртый, пятый и шестой периоды тоже должны оканчиваться инертным газом. Но найти их удалось не сразу. Это и неудивительно: в 1 м 3 воздуха 9, 3 л аргона и всего лишь 0, 08 мл ксенона. Но к тому времени стараниями ученых, прежде всего англичанина Траверса, появилась возможность получать значительные количества жидкого воздуха. Стал доступен даже жидкий водород. Благодаря этому Рамзай совместно с Траверсом смог заняться исследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха, получающейся после отгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и аргона. Остаток содержал сырой (то есть неочищенный) криптон (“скрытый”). Однако после откачки его в сосуде неизменно оставался пузырек газа. Этот газ голубовато светился в электрическом разряде и давал своеобразный спектр с линиями в областях от оранжевой до фиолетовой. Характерные спектральные линии - визитная карточка элемента. У Рамзая и Траверса были все основания считать, что открыт новый инертный газ. Его назвали ксеноном, что в переводе с греческого значит “чужой”: в криптоновой фракции воздуха он действительно выглядел чужаком. В поисках нового элемента и для изучения его свойств Рамзай и Траверс переработали около ста тонн жидкого воздуха; индивидуальность ксенона как нового химического элемента они установили, оперируя всего 0,2 см 3 этого газа. Необычайная для того времени тонкость эксперимента! Хотя содержание ксенона в атмосфере крайне мало, именно воздух - практически единственный и неисчерпаемый источник ксенона. Неисчерпаемый - потому, что почти весь ксенон возвращается в атмосферу.
Заслуга открытия высшего представителя инертных газов принадлежит тому же Рамзаю. При помощи весьма тонких технических приёмов он доказал, что радиоактивное истечение из радия – эманация радия – представляет собой газ, подчиняющийся всем законам обычных газов, химически инертный и обладающий характерным спектром. Его молекулярный вес – около 220 – был Рамзаем измерен по скорости диффузии. Если предположить, что ядро атома эманации радия – это остаток ядра радия после выбрасывания из него ядра атома гелия - a -частицы, то заряд его должен быть равен 88-2=86, т.е. новый элемент должен действительно быть инертным газом с атомным весом 226-4=222.
Таким образом, после блестящих экспериментов 16 марта 1900 г. в Лондоне произошла встреча Менделеева и Рамзая, на которой было официально решено включить в периодическую систему новую группу химических элементов.
История открытия Аргона
В 1785 г. английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенно устойчивый химически. На долю этого газа приходилась примерно одна сто двадцатая часть объема воздуха. Но что это за газ, Кавендишу выяснить не удалось.
Об этом опыте вспомнили 107 лет спустя, когда Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей) натолкнулся на ту же примесь, заметив, что азот воздуха тяжелее, чем азот, выделенный из соединений. Не найдя достоверного объяснения аномалии, Рэлей через журнал “Nature” обратился к коллегам-естествоиспытателям с предложением вместе подумать и поработать над разгадкой ее причин...
Спустя два года Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно есть примесь неизвестного газа, более тяжелого, чем азот, и крайне инертного химически.
Когда они выступили с публичным сообщением о своем открытии, это произвело ошеломляющее впечатление. Многим казалось невероятным, чтобы несколько поколений ученых, выполнивших тысячи анализов воздуха, проглядели его составную часть, да еще такую заметную – почти процент!
Кстати, именно в этот день и час, 13 августа 1894 г., аргон и получил свое имя, которое в переводе с греческого значит “недеятельный”. Его предложил председательствовавший на собрании доктор Медан.
Между тем нет ничего удивительного в том, что аргон так долго ускользал от ученых. Ведь в природе он себя решительно ничем не проявлял! Напрашивается параллель с ядерной энергией: говоря о трудностях ее выявления, А. Эйнштейн заметил, что нелегко распознать богача, если он не тратит своих денег...
Скепсис ученых был быстро развеян экспериментальной проверкой и установлением физических констант аргона. Но не обошлось без моральных издержек: расстроенный нападками коллег (главным образом химиков) Рэлей оставил изучение аргона и химию вообще и сосредоточил свои интересы на физических проблемах. Большой ученый, он и в физике достиг выдающихся результатов, за что в 1904 г. был удостоен Нобелевской премии. Тогда в Стокгольме он вновь встретился с Рамзаем, который в тот же день получал Нобелевскую премию за открытие и исследование благородных газов, в том числе и аргона.
Обобщение истории открытия
Аргон был открыт как инертный газ в атмосфере в 1894 Дж.Рэлеем, который обнаружил, что атмосферный азот на 0,5% тяжелее, чем полученный химическим путем. Разница объяснялась присутствием ничтожного количества более тяжелых инертных газов, преимущественно аргона. Этот элемент был первым из инертных газов, обнаруженных в природе на нашей планете. Содержание аргона в атмосфере составляет 0,93%(об.), причем его несколько больше над поверхностью больших водоемов, чем над сушей, так как азот и кислород более растворимы в воде. В электротехнической промышленности ежемесячно расходуется несколько тысяч кубических метров аргона для создания инертной среды в лампах накаливания: аргоновая среда позволяет снизить скорость испарения вольфрамовой нити и предотвращает ее окисление.
Строение Аргона
Аргон это газ с завершенным последним электронным уровнем
Ar 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6
10 электронов
18 протонов
22 нейтрона
Физические свойства
Общие свойства инертных газов
Все благородные газы– бесцветные одноатомные газ без цвета и запаха
обладают более высокой электропроводностью по сравнению с другими газами и при прохождении через них тока ярко светятсяНасыщенный характер атомных молекул инертных газов сказывается и в том, что инертные газы имеют более низкие точки сжижения и замерзания, чем другие газы с тем же молекулярным весом.
Из подгруппы тяжелых инертных газов аргон самый легкий. Он тяжелее воздуха в 1,38 раза. Жидкостью становится при – 185,9°C, затвердевает при – 189,4°C (в условиях нормального давления). В отличие от гелия и неона, он довольно хорошо адсорбируется на поверхностях твердых тел и растворяется в воде (3,29 см 3 в 100 г воды при 20°C). Еще лучше растворяется аргон во многих органических жидкостях. Зато он практически нерастворим в металлах и не диффундирует сквозь них.
Как все инертные газы, аргон диамагнитен. Это значит, что его магнитная восприимчивость отрицательна, он оказывает большее противодействие магнитным силовым линиям, чем пустота. Это свойство аргона (как и многие другие) объясняется “замкнутостью” электронных оболочек его атомов.
Под действием электрического тока аргон ярко светится, сине-голубое свечение аргона широко используется в светотехнике.
Теперь о влиянии аргона на живой организм. При вдыхании смеси из 69% Ar, 11% азота и 20% кислорода под давлением 4 атм возникают явления наркоза, которые выражены гораздо сильнее, чем при вдыхании воздуха под тем же давлением. Наркоз мгновенно исчезает после прекращения подачи аргона. Причина – в неполярности молекул аргона, повышенное же давление усиливает растворимость аргона в нервных тканях.
Биологи нашли, что аргон благоприятствует росту растений. Даже в атмосфере чистого аргона семена риса, кукурузы, огурцов и ржи выкинули ростки. Лук, морковь и салат хорошо прорастают в атмосфере, состоящей из 98% аргона и только 2% кислорода.
Химические свойства
Химическая инертность аргона (как и других газов этой группы) и одноатомность его молекул объясняются прежде всего предельной насыщенностью электронных оболочек. Тем не менее разговор о химии аргона сегодня не беспредметен.
Есть основания считать, что исключительно нестойкое соединение Hg – Ar, образующееся в электрическом разряде, – это подлинно химическое (валентное) соединение. Не исключено, что будут получены валентные соединения аргона с фтором и кислородом, которые, скорее всего, будут неустойчивыми, Как нестойки и даже взрывоопасны окислы ксенона – газа, более тяжелого и явно более склонного к химическим реакциям, чем аргон.
Еще в конце прошлого века француз Вийяр, сжимая аргон под водой при 0°C, получил кристаллогидрат состава Аr · 6Н 2 О, а в 20...30-х годах XX столетия Б.А. Никитиным, Р.А. Франкраном и другими исследователями при повышенных давлениях и низких температурах были получены кристаллические клатратные соединения аргона с H 2 S, SO 2 , галогеноводородами, фенолами и некоторыми другими веществами. В 1976 г. появилось сообщение о синтезе гидрида аргона, но пока еще трудно сказать, является ли этот гидрид истинно химическим, валентным соединением.
Вот пока и все успехи химии...
Аргон на Земле и во Вселенной
На Земле аргона намного больше, чем всех прочих элементов его группы, вместе взятых. Его среднее содержание в земной коре (кларк) в 14 раз больше, чем гелия, и в 57 раз больше, чем неона. Есть аргон и в воде, до 0,3 см 3 в литре морской и до 0,55 см 3 в литре пресной воды. Любопытно, что в воздухе плавательного пузыря рыб аргона находят больше, чем в атмосферном воздухе. Это потому, что в воде аргон растворим лучше, чем азот...
Главное “хранилище” земного аргона – атмосфера. Его в ней (по весу) 1,286%, причем 99,6% атмосферного аргона – это самый тяжелый изотоп – аргон-40. Еще больше доля этого изотопа в аргоне земной коры. Между тем у подавляющего большинства легких элементов картина обратная – преобладают легкие изотопы.
Причина этой аномалии обнаружена в 1943 г. В земной коре находится мощный источник аргона-40 – радиоактивный изотоп калия 40 К. Этого изотопа на первый взгляд в недрах немного – всего 0,0119% от общего содержания калия. Однако абсолютное количество калия-40 велико, поскольку калий – один из самых распространенных на нашей планете элементов. В каждой тонне изверженных пород 3,1 г калия-40.
Радиоактивный распад атомных ядер калия-40 идет одновременно двумя путями. Примерно 88% калия-40 подвергается бета распаду и превращается в кальций-40. Но в 12 случаях из 100 (в среднем) ядра калия-40 не излучают, а, наоборот, захватывают по одному электрону с ближайшей к ядру К-орбиты (“К-захват”). Захваченный электрон соединяется с протоном – образуется новый нейтрон в ядре и излучается нейтрино. Атомный номер элемента уменьшается на единицу, а масса ядра остается практически неизменной. Так калий превращается в аргон.
Период полураспада 40 К достаточно велик – 1,3 млрд лет. Поэтому процесс образования 40 Аr в недрах Земли будет продолжаться еще долго, очень долго. Поэтому, хотя и чрезвычайно медленно, но неуклонно будет возрастать содержание аргона в земной коре и атмосфере, куда аргон “выдыхается” литосферой в результате вулканических процессов, выветривания и перекристаллизации горных пород, а также водными источниками.
Правда, за время существования Земли запас радиоактивного калия основательно истощился – он стал в 10 раз меньше (если возраст Земли считать равным 4,5 млрд лет.).
Соотношение изотопов 40 Аr: 40 К и 40 Ar: 36 Аr в горных породах легло в основу аргонного метода определения абсолютного возраста минералов. Очевидно, чем больше эти отношения, тем древнее порода. Аргонный метод считается наиболее надежным для определения возраста изверженных пород и большинства калийных минералов. За разработку этого метода профессор Э.К. Герлинг в 1963 году удостоен Ленинской премии.
Итак, весь или почти весь аргон-40 произошел на Земле от калия-40. Поэтому тяжелый изотоп и доминирует в земном аргоне.
Этим фактором объясняется, кстати, одна из аномалий периодической системы. Вопреки первоначальному принципу ее построения – принципу атомных весов – аргон поставлен в таблице впереди калия. Если бы в аргоне, как и в соседних элементах, преобладали легкие изотопы (как это, по-видимому, имеет место в космосе), то атомный вес аргона был бы на две-три единицы меньше...
Теперь о легких изотопах.
Откуда берутся 36 Аr и 38 Аr? Не исключено, что какая-то часть этих атомов реликтового происхождения, т.е. часть легкого аргона пришла в земную атмосферу из космоса при формировании нашей планеты и ее атмосферы. Но большая часть легких изотопов аргона родилась на Земле в результате ядерных процессов.
Вероятно, еще не все такие процессы обнаружены. Скорее всего некоторые из них давно прекратились, так как исчерпались короткоживущие атомы-“родители”, но есть и поныне протекающие ядерные процессы, в которых рождаются аргон-36 и аргон-38. Это бета-распад хлора-36, обстрел альфа-частицами (в урановых минералах) серы-33 и хлора-35:
36 17 Cl β– → 36 18 Ar + 0 –1 e + ν.
33 16 S + 4 2 He → 36 18 Ar + 1 0 n .
35 17 Cl + 4 2 He → 38 18 Ar + 1 0 n + 0 +1 e .
В материи Вселенной аргон представлен еще обильнее, чем на нашей планете. Особенно много его в веществе горячих звезд и планетарных туманностей. Подсчитано, что аргона в космосе больше, чем хлора, фосфора, кальция, калия – элементов, весьма распространенных на Земле.
В космическом аргоне главенствуют изотопы 36 Аr и 38 Аr, аргона-40 во Вселенной очень мало. На это указывает масс-спектральный анализ аргона из метеоритов. В том же убеждают подсчеты распространенности калия. Оказывается, в космосе калия примерно в 50 тыс. раз меньше, чем аргона, в то время как на Земле их соотношение явно в пользу калия – 660: 1. А раз мало калия, то откуда же взяться аргону-40?!
Применение
Все шире применяется дуговая электросварка в среде аргона. В аргонной струе можно сваривать тонкостенные изделия и металлы, которые прежде считались трудносвариваемыми. Не будет преувеличением сказать, что электрическая дуга в аргонной атмосфере внесла переворот в технику резки металлов. Процесс намного ускорился, появилась возможность резать толстые листы самых тугоплавких металлов. Продуваемый вдоль столба дуги аргон (в смеси с водородом) предохраняет кромки разреза и вольфрамовый электрод от образования окисных, нитридных и иных пленок. Одновременно он сжимает и концентрирует дугу на малой поверхности, отчего температура в зоне резки достигает 4000-6000° С. К тому же эта газовая струя выдувает продукты резки. При сварке в аргонной струе нет надобности во флюсах и электродных покрытиях, а стало быть, и в зачистке шва от шлака и остатков флюса
Как добывают аргон
Земная атмосфера содержит 66 · 1013 т аргона. Этот источник аргона неисчерпаем, тем более что практически весь аргон рано или поздно возвращается в атмосферу, поскольку при использовании он не претерпевает никаких физических или химических изменений. Исключение составляют весьма незначительные количества изотопов аргона, расходуемые на получение в ядерных реакциях новых элементов и изотопов.
Получают аргон как побочный продукт при разделении воздуха на кислород и азот. Обычно используют воздухоразделительные аппараты двукратной ректификации, состоящие из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение), верхней колонны низкого давления и промежуточного конденсатора-испарителя. В конечном счете азот отводится сверху, а кислород – из пространства над конденсатором.
Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтому аргонную фракцию отбирают в точке, находящейся примерно на трети высоты верхней колонны, и отводят в специальную колонну. Состав аргонной фракции: 10...12% аргона, до 0,5% азота, остальное – кислород. В “аргонной” колонне, присоединенной к основному аппарату, получают аргон с примесью 3...10% кислорода и 3...5% азота. Дальше следует очистка “сырого” аргона от кислорода (химическим путем или адсорбцией) и от азота (ректификацией). В промышленных масштабах ныне получают аргон до 99,99%-ной чистоты. Аргон извлекают также из отходов аммиачного производства – из азота, оставшегося после того, как большую его часть связали водородом.
Аргон хранят и транспортируют в баллонах емкостью 40 л, окрашенных в серый цвет с зеленой полосой и зеленой надписью. Давление в них 150 атм. Более экономична перевозка сжиженного аргона, для чего используют сосуды Дюара и специальные цистерны.
Искусственные радиоизотопы аргона получены при облучении некоторых стабильных и радиоактивных изотопов (37 Cl, 36 Аr, 40 Аr, 40 Са) протонами и дейтонами, а также при облучении нейтронами продуктов, образовавшихся в ядерных реакторах при распаде урана. Изотопы 37 Аr и 41 Аr используются как радиоактивные индикаторы: первый – в медицине и фармакологии, второй – при исследовании газовых потоков, эффективности спетом вентиляции и в разнообразных научных исследованиях. Но, конечно, не эти применения аргона самые важные.
) - группа химических элементов со схожими свойствами: при нормальных условиях они представляют собой одноатомные газы без цвета и запаха с очень низкой химической реактивностью . К благородным газам относятся гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn). В последнее время к этой группе также причисляют оганесон (Og).
Занимая первые 6 периодов, инертные газы относятся к последней, 18-й группе в периодической таблице химических элементов . Возможно, что из-за релятивистских эффектов элемент 14-й группы Флеровий показывает некоторые свойства благородных газов, . Он может заменить в периодической таблице оганесон. Благородные газы химически неактивны и способны участвовать в химических реакциях лишь при экстремальных условиях.
Характеристики благородных газов могут быть объяснены современными теориями об атомных структурах : их электронные оболочки из валентных электронов являются «полными», тем самым позволяя участвовать лишь в очень малом количестве химических реакций, и возможно лишь несколько сотен соединений . Температуры плавления и кипения у любого благородного газа имеют различие меньше, чем в 10 градусов 10 °C (18 °F) .
Неон, аргон, криптон и ксенон выделяют из воздуха специальными установками , используя при этом методы сжижения газов и фракционированной конденсации .
Химические свойства
Благородные газы не имеют цвета, запаха, вкуса, а также не возгораются при нормальных условиях.
| № | Элемент | № электронов/электронной оболочки |
|---|---|---|
| 2 | гелий | 2 |
| 10 | неон | 2, 8 |
| 18 | аргон | 2, 8, 8 |
| 36 | криптон | 2, 8, 18, 8 |
| 54 | ксенон | 2, 8, 18, 18, 8 |
| 86 | радон | 2, 8, 18, 32, 18, 8 |
Соединения
Инертные газы отличаются химической неактивностью (отсюда и название). Тем не менее, в 1962 году Нил Барлетт показал, что все они при определённых условиях могут образовывать соединения (особенно охотно со фтором). Наиболее «инертны» неон и гелий: чтобы заставить их вступить в реакцию, нужно применить много усилий, искусственно ионизируя каждый атом. Ксенон же, наоборот, слишком активен (для инертных газов) и реагирует даже при нормальных условиях , демонстрируя чуть ли не все возможные степени окисления (+1, +2, +4, +6, +8). Радон тоже имеет высокую химическую активность, но он радиоактивен и быстро распадается, поэтому подробное изучение его химических свойств осложнено, в отличие от ксенона.
Физические свойства
Биологическое действие
Инертные газы обладают биологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм и по силе этого воздействия располагаются по убыванию в следующем порядке (в сравнении приведены также азот и водород): Xe - Кr - Ar - N 2 - H 2 - Ne - He. При этом ксенон и криптон проявляют наркотический эффект при нормальном барометрическом давлении, аргон - при давлении свыше 0,2 МПа (2 атм) , азот - свыше 0,6 МПа (6 атм) , водород - свыше 2,0 МПа (20 атм) . Наркотическое действие неона и гелия в опытах не регистрируются, так как под давлением раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД) .
Применение
Инертные газы имеют очень низкие точки кипения и плавления, что позволяет их использовать в качестве холодильного агента в криогенной технике . Жидкий гелий , который кипит при 4,2 К (−268,95 °C) , используется для получения сверхпроводимости - в частности, для охлаждения сверхпроводящих обмоток электромагнитов, применяемых, например, для магнитно-резонансной томографии и других приложений ядерного магнитного резонанса . Жидкий неон, хотя и не достигает таких низких температур как жидкий гелий, также находит применение в криогенике, потому что его охлаждающие свойства (удельная теплота испарения) более чем в 40 раз лучше, чем у жидкого гелия, и более чем в три раза лучше, чем у жидкого водорода.
Гелий, благодаря его пониженной растворимости в жидкостях, особенно в липидах, используется вместо азота как компонент дыхательных смесей для дыхания под давлением (например, при подводном плавании). Растворимость газов в крови и биологических тканях растёт под давлением. В случае использования для дыхания обычного воздуха или других азотсодержащих дыхательных смесей это может стать причиной эффекта, известного как азотное отравление .
Благодаря меньшей растворимости в липидах, атомы гелия задерживаются
