Благородные газы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Благородные (инертные) газы

* Электронная конфигурация атомов благородных газов

* Физические свойства благородных газов

* Нахождение благородных газов в природе

* Химические свойства благородных газов

* Применение благородных газов

Благородными (инертными) газами называют элементы VIIIА-группы Периодической системы Д.И. Менделеева: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. К благородным газам также относится недавно открытый оганесон, химические свойства которого пока почти не изучены. Благородные газы имеют полностью завершённый устойчивый внешний электронный уровень (см. табл.).

Электронная конфигурация атомов благородных газов

Завершённая конфигурация внешнего электронного слоя обусловливает низкую химическую активность благородных газов. Долгое время считалось, что все благородные газы не способны вступать в химические реакции, что и объясняет происхождение их названия: «инертные» -- то есть неактивные. Однако ставшее возможным начиная с середины ХХ века получение химических соединений криптона, ксенона и радона разрушило представление о полной химической неактивности инертных газов. По аналогии с химически неактивными металлами платиновой группы сегодня элементы -группы называют также «благородными», оба названия допустимы и используются.

Физические свойства благородных газов

Все благородные газы состоят из одноатомных молекул, между которыми существует слабое межмолекулярное взаимодействие. Благородные газы не имеют цвета, вкуса и запаха, характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Гелий легче только водорода (гмоль), радон -- один из самых тяжёлых газов (гмоль). Растворимость благородных газов в воде резко увеличивается сверху вниз по группе: гелий -- один из самых малорастворимых в воде газов, а растворимость радона в несколько раз выше растворимости кислорода.

При прохождении тока через трубки, заполненные благородными газами, наблюдается их свечение, что используется в светотехнике для производства газоразрядных трубок.

Особыми уникальными физическими свойствами обладает гелий. Он единственный из всех известных в природе веществ при атмосферном давлении и температуре, приближающейся к, остаётся в жидком состоянии. Гелий обладает самой низкой из всех веществ температурой кипения. При температурах ниже жидкий гелий существует в виде смеси двух жидкостей, одна из которых имеет обычные свойства, а другая -- аномальные, которые проявляются в сверхтекучести. Вязкость сверхтекучего гелия в миллиардов раз меньше вязкости воды. Сверхтекучий гелий течёт практически без трения, он способен просачиваться через мельчайшие отверстия в пористом сосуде и самопроизвольно подниматься по стенкам непористого сосуда и вытекать из него. Сверхтекучий гелий обладает сверхвысокой теплопроводностью. Явление сверхтекучести гелия в году экспериментально обнаружил советский физик П. Л. Капица. Квантовая теория сверхтекучести была разработана советским физиком Л.Д. Ландау. За открытие и изучение сверхтекучести гелия П.Л. Капица и Л.Д. Ландау были удостоены Нобелевской премии по физике (Л. Д. Ландау в году, П.Л. Капица в году).

Нахождение благородных газов в природе

Гелий -- второй (после водорода) по распространённости химический элемент во Вселенной. Солнце примерно на % состоит из гелия. Гелий был впервые обнаружен в году с помощью спектрального анализа именно на Солнце. В честь бога Солнца Гелиоса этот элемент и получил своё название. На Солнце гелий образуется по реакции ядерного синтеза из водорода. На Земле гелий был обнаружен в году (т. е. позднее, чем на Солнце) при спектральном анализе газов, выделяющихся при разложении минерала клевеита, содержащего уран. В атмосферу гелий попадает, освобождаясь из заполняемых им пустот в радиоактивных горных породах и минералах. Основным источником промышленного получения гелия является природный газ, в котором он присутствует в виде примеси.

Благородные газы содержатся в воздухе, но в разных количествах: содержание гелия в воздухе составляет объёмн. %, неона -- объёмн. %, аргона -- объёмн. %, криптона -- объёмн. %, ксенона -- объёмн. %. Таким образом, по содержанию в атмосфере среди инертных газов лидирует аргон. Благородные газы получают из воздуха методом фракционной перегонки.

Радон постоянно возникает в природе при радиоактивном распаде ядер изотопов урана, тория, радия. В окружающую среду -- подземные воды, природные газы и воздух -- радон попадает благодаря своей химической инертности, позволяющей ему относительно легко покидать кристаллическую решётку природных минералов. Концентрация радона в воздухе зависит, в первую очередь, от геологической обстановки. Так, граниты, в которых содержится много урана, являются активными источниками радона, а над поверхностью морей радона мало. Значительное влияние на содержание радона в окружающей среде оказывает сейсмическая обстановка. Повышение концентрации радона в подземных водах является сигналом приближающегося землетрясения.

В промышленности радон получают как продукт радиоактивного распада радия.

Химические свойства благородных газов

Завершённый внешний электронный уровень благородных газов обусловливает их химическую инертность.

Пока до сих пор не получены истинные химические соединения гелия, неона и аргона. Для них известны лишь соединения включения -- так называемые «клатраты» примерного состава или, где -- атомы гелия, неона, аргона и других инертных газов. В клатратах атомы инертных газов располагаются в пустотах кристаллической решётки воды или гидрохинона и удерживаются там за счёт межмолекулярного взаимодействия.

До года считалось, что благородные газы не способны к образованию химических соединений. Первое синтезированное соединение благородных газов -- гексафтороплатинат ксенона . Это соединение было получено в году канадским химиком Нилом Бартлетом, которому удалось окислить ксенон сильнейшим окислителем -- гексафторидом платины :

Затем были синтезированы фториды, оксофториды и оксиды криптона, ксенона и радона. К концу ХХ века было синтезировано около химических соединений ксенона, около -- криптона и несколько соединений радона.

Химия инертных газов связана в первую очередь с самым электроотрицательным элементом -- фтором. Только с фтором могут взаимодействовать криптон, ксенон и радон, причём их химическая активность возрастает от криптона к радону.

Прямым взаимодействием криптона, ксенона и радона с фтором при и нагревании или в электрическом разряде получены фториды . Например:

Наиболее изучена химия ксенона. Синтезированы оксид ксенона() и гидроксид ксенона(), проявляющие кислотные свойства. Реагируя с щелочами, они образуют соли ксеноновой кислоты, например:

Получены также соединения ксенона, в которых он проявляет степень окисления, например перксенаты -- соли перксеноновой кислоты . Их можно получить при взаимодействии оксида ксенона() с избытком горячего раствора щёлочи. В результате этой реакции оксид ксенона() диспропорционирует на ксенон и перксенат:

Осторожным действием на перксенаты концентрированной серной кислотой можно получить оксид ксенона() -- очень неустойчивое и взрывоопасное вещество:

Все полученные соединения ксенона являются сильнейшими окислителями. Так, тетрафторид ксенона окисляет платину, а дифторид ксенона - воду:

Фторид ксенона() используют в химическом синтезе в качестве фторирующего агента, например:

Применение благородных газов

благородный газ инертный

Химическая неактивность и уникальные физические свойства сделали благородные газы незаменимыми в самых разных областях науки, техники, промышленности, медицины.

Гелий -- самый лёгкий после водорода газ, поэтому его часто применяют для наполнения дирижаблей, аэростатов и зондов. В отличие от используемого ранее для этих целей водорода, гелий не взрывоопасен.

Смесь, состоящая из % гелия и % кислорода, применяется при дыхании водолазов при их глубоководном погружении. В отличие от азота, гелий очень плохо растворяется в крови и поэтому не вызывает кессонную болезнь, вызванную интенсивным выделением растворённых газов (азота и углекислого газа) при подъёме водолазов. Гелиево-кислородная смесь обладает одной интересной особенностью: голос человека при дыхании такой смесью становится писклявым и гнусавым.

В пищевой промышленности гелий используют как пропеллент и упаковочный газ, в атмосфере которого продукты прекрасно сохраняют свой вкус и аромат (гелий зарегистрирован в качестве пищевой добавки ).

Как и другие инертные газы, гелий применяют для создания инертной среды в химических процессах. В особо чистой атмосфере гелия выращивают кристаллы сверхчистого кремния, изготавливают жидкокристаллические дисплеи, оптические волокна. В атмосфере гелия производят электродуговую сварку металлов -- магния, алюминия и титана, а также специальных стальных сплавов, что обеспечивает высокую прочность шва.

Жидкий гелий используют в лабораторных исследованиях для получения сверхнизких температур (ниже ). При температуре жидкого гелия многие металлы становятся сверхпроводниками, необходимыми для электроники. Сверхпроводящие магниты, работающие при таких температурах, создают очень сильные магнитные поля. Такие магниты используют, например, в адронном коллайдере. Высокая теплопроводность гелия позволяет применять его в качестве высокотемпературного теплоносителя в ядерных реакторах.

Неон применялся в промышленности для создания инертной среды, но затем он был заменён более дешёвым аргоном. Жидкий неон используют в криогенных установках в качестве эффективного охладителя.

Трубки, заполненные смесью неона и азота, при пропускании через них электрического разряда дают красно-оранжевое свечение, которое ассоциируется с понятием «неоновая реклама», для которой неон и другие инертные газы, дающие другие разнообразные цвета, широко используются.

Характерное красное излучение неоновых ламп слабо рассеивается в тумане, что позволяет использовать неон для изготовления различных сигнальных устройств на маяках и в аэропортах.

Неон применяют для изготовления плазменных панелей. Они представляют собой матрицу, состоящую из мельчайших ячеек, заполненных газами -- неоном, криптоном и ксеноном (иногда аргоном и гелием). При подаче напряжения возникает электрический разряд, и ионизированные газы (плазма) испускают ультрафиолетовое излучение, под воздействием которого светится люминофор.

Самым доступным и относительно дешёвым является инертный газ аргон. Первоначально его широко использовали для заполнения ламп накаливания. Однако сегодня большая часть аргона применяется в электросварочных работах, при которых надо исключить контакт расплавленного металла с кислородом, азотом, углекислым газом и влагой воздуха. Как и гелий, аргон используется в пищевой промышленности в качестве пропеллента и упаковочного газа (аргон зарегистрирован как пищевая добавка ).

Главная область применения криптона -- производство электроламп и рекламных газоразрядных трубок. Яркий белый свет криптоновых ламп необходим при освещении сцен телевизионных студий и при киносъемках. В смеси с фтором криптон используется для изготовления эксимерных лазеров, широко применяемых в глазной хирургии для лазерной коррекции зрения.

Очень разнообразными являются области применения ксенона. Ксенон широко используется в светотехнике для создания ламп высокого давления, которые дают чрезвычайно яркий свет. В конце века был разработан метод применения ксенона в медицине в качестве средства для общего наркоза и обезболивания. Способность ксенона поглощать рентгеновское излучение позволяет использовать его для рентгеноскопических обследований головного мозга.

Радон -- самый токсичный из всех природных газов. Токсичность радона обусловлена его очень высокой радиоактивностью. Попадая в организм человека, радон способен вызвать рак лёгкого. Риск заболевания повышается при сочетании воздействия радона и курения.

Тем не менее, содержащие радон воды некоторых источников, например, Цхалтубо в Грузии и Гаштейн в Австрии, используются в медицине для лечения ряда заболеваний. Радоновые ванны, а также радоновые грязи назначают при заболеваниях кожи, сердечно-сосудистой и нервной систем. Однако при некоторых заболеваниях радонотерапия категорически противопоказана.

Радон используется также в сельском хозяйстве для активации кормов домашних животных. В геологии измерение содержания радона в воздухе и в воде применяется для поиска месторождений урана и тория. По динамике концентрации радона в подземных водах можно прогнозировать землетрясения.

Коротко о главном

Благородными (инертными) газами называют элементы -группы Периодической системы Д.И. Менделеева: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон, а также недавно открытый оганесон.

Благородные газы имеют полностью завершённый устойчивый внешний электронный уровень, обусловливает их низкую химическую активность. Пока до сих пор не получены истинные химические соединения гелия, неона и аргона, для них известны лишь соединения включения -- «клатраты». В настоящее время синтезированы фториды, оксофториды и оксиды криптона, ксенона и радона. Все полученные соединения благородных газов - сильнейшие окислители.

Применение благородных газов в различных областях науки, техники, промышленности, медицины обусловлено их химической неактивностью и уникальными физическими свойствами.

Вопросы для самоконтроля

1. Охарактеризуйте электронное строение благородных газов.

2. Поясните, почему благородные газы называют также инертными.

3. Как вы считаете, оправдывают ли в полной мере элементы -группы название «инертные»? Почему их стали называть «благородными»?

4. С чем связана химическая неактивность благородных газов?

5. Охарактеризуйте области применения благородных газов, основанные на их свойствах.

Размещено на Allbest.ru