Властивості інертних газів

1. Фізичні властивості інертних газів.

Інертні гази не мають кольору і запаху. І є одноатомними. Інертні гази вважаються благородними. Мають вищу електропровідність (в порівнянні з іншими) і, при проходженні через них струму, яскраво світяться.

Неон - вогняно червоним світлом, оскільки його найяскравіші лінії знаходяться в червоній області спектру.

Гелій - яскраво-жовтим світлом, це пояснюється тим, що в його порівняно простому спектрі, подвійна жовта лінія переважає над усіма іншими.

Інертні гази мають нижчі точки зріджування і замерзання, в порівнянні з іншими газами з тією ж молекулярною вагою. Це відбувається із-за насиченого характеру атомних молекул інертних газів.

2. Хімічні властивості інертних газів.

Інертні гази мають дуже малу хімічну активність, що пояснюється жорсткою восьмиелектронною конфігурацією зовнішнього електронного шару. Як відомо із збільшенням числа електронних шарів поляризуемость атомів росте. Отже, вона повинна збільшуватися при переході від гелію до радону.

Довгий час вчені взагалі не знаходили умов, при яких благородні гази могли б вступати в хімічну взаємодію або утворювати істинні хімічні сполуки. Їх валентність дорівнювала нулю. І нову групу хімічних вирішили вважати нульовою.

Але 1924 року висловилася ідея, що деякі з'єднання важких інертних газів (зокрема, фториди і хлориди ксенону) термодинамічно цілком стабільні і можуть існувати за звичайних умов. У теорії, при вивченні електронної структури оболонок криптону і ксенону з позицій квантової механіки, виходило, що ці гази в змозі утворювати стійкі з'єднання з фтором.

Але йшов час, а на практиці усі експерименти в цій області закінчувалися невдачею. Фторид ксенону не виходив. Поступово дійшли висновку, що це не можливо і досліди припинилися.

Тільки у 1961 році Бартлетт, співробітник одного з університетів Канади, вивчаючи властивості гексафторида платини, з'єднання активнішого, ніж сам фтор, встановив, що потенціал іонізації у ксенону нижчий, ніж у кисню (12, 13 і 12, 20 еу відповідно), а кисень утворював з гексафторидом платини з'єднання складу O2PtF6..

При кімнатній температурі Бартлетт првел досвід і з газоподібного гексафторида платини і газоподібного ксенону отримав тверде помаранчевий - жовта речовина, що дістала назву гексафторплатинат ксенону XePtF6.

При нагріванні у вакуумі гексафторплатинат XePtF6 переганяється без розкладання. Гидролизуется у воді, виділяючи ксенон:

2XePtF6 + 6Н2О = 2Хе + О2 + 2PtО2 + 12HF

Досліджуючи нову речовину Бартлетт дійшов висновку, що поведінка гексафторплатината нічим не відрізняється від поведінки звичайних хімічних сполук.

Роботи Бартлетта дозволили встановити, що ксенон залежно від умов реакції, здатний утворювати два різні з'єднання з гексафторидом платини : XePtF6 і Xe#002. Але при гідролізі цих з'єднань виходять одні і ті ж кінцеві продукти.

У 1962 році Бартлетт виступає з доповіддю.

І вже через три тижні після його дослідів, експеримент повторила група американських дослідників в Аргоннской національної лабораторії на чолі з Черником. Ученим уперше вдалося синтезувати аналогічні з'єднання ксенону з гексафторидами рутенію, родію і плутонію.

Отже, перші п'ять з'єднань ксенону : XePtF6, Xe #002, XeRuF6, XeRhF6, XePuF6

Міф про абсолютну інертність газів не підтвердився.

Існуючу гіпотезу про можливість прямої взаємодії ксенону з Фтором вирішили перевірити.

Для цієї мети суміш газів (1 частина ксенону і 5 частин фтору) помістили в нікелеву посудину, як найбільш стійкий до дії фтору, і нагрівали під порівняно невеликим тиском.

За годину посудину різко охолодили, а газ відкачали. Газом, що залишився, виявилося не що інше, як фтор. Увесь ксенон прореагував!

Потім в розкритій посудині виявили безбарвні кристали тетрафторида ксенону XeF4.

Це стійке з'єднання, його молекула має форму квадрата з іонами фтору по кутах і ксеноном в центрі.

Тетрафторид ксенону XeF4 фторує ртуть, платину(але тільки розчиненим у фтористому водні) : ХеF4 + 2Hg = Хe + 2HgF2

Чудове те, що, міняючи умови реакції, можна отримати не лише XeF4, але і інші фториди, наприклад XeF2, XeF6.

В. М. Хуторецкий і В. А. Шпанка - радянські учені-хіміки, показали, що для синтезу дифториду ксенону зовсім не обов'язкові тяжкі умови.

Ними був запропонований спосіб, коли суміш ксенону і фтору (у молекулярному відношенні 1:1) подається в посудину з нікелю або нержавіючої сталі, і при підвищенні тиску до 35 атм починається мимовільна реакція.

XeF2 - єдиний фторид ксенону, що отримується під дією електричного розряду на суміш ксенону і чотирифтористого вуглецю, без використання елементарного фтору.

Чистий ХеF2 виходить, при опроміненні ксенону і фтору ультрафіолетом.

Дифторид ХеF2 має різкий специфічний запах.

Розчинність дифториду у воді невелика. Його розчин - найсильніший окисник. Поступово він саморозкладається на ксенон, кисень і фтористий водень. У лужному середовищі розкладання йде особливо швидко.

Метод синтезу дифториду ксенону, заснований на дії на суміш газів ультрафіолетового випромінювання (довжина хвиль близько 2500-3500 А) представляє великий теоретичний інтерес.

Випромінювання викликає розщеплювання молекул фтору на вільні атоми. І саме в цьому полягає причина утворення дифториду, оскільки атомарний фтор надзвичайно активний.

Для отримання гексафторида ксенону XeF6 потрібно тяжчі умови: 700° З і 200 атм. За таких умов в суміші ксенону і фтору, у відношення від 1:4 до 1:20, практично увесь ксенон перетворюється на XeF6.

Гексафторид ксенону надзвичайно активний і розкладається з вибухом.

Легко реагує з фторидами лужних металів (окрім LiF) : XeF6 + RbF = RbXeF7

Вже при 50° З ця сіль разлагается:2 RbXeF7 = XeF6 + Rb2XeF8

Вищий фторид XeF8 стійкий лише при температурі нижче мінус 196° C.

Якщо раніше благородні гази були виділені в окрему нульову групу, що цілком відповідало уявленню про їх валентність, то синтез перших з'єднань ксенону поставив перед хіміками питання про місце інертних газів в періодичній системі. Інертні гази вирішили перенести в VIII групу, коли став відомий його вищий фторид, в якому валентність ксенону рівна восьми, що цілком узгоджується з будовою його електронної оболонки.

Усі відомі нині з'єднання ксенону отримані з його фторидів. Змусити ксенон вступити в реакцію без участі фтору (чи деяких його з'єднань) доки не вдалося.

Добре вивчена взаємодія фторидів ксенону з водою.

При гідролізі ХеF4 в кислому середовищі, утворюється окисел ксенону ХеО3 - безбарвні кристали, що розпливаються на повітрі.

Молекула ХеО3 має структуру плескатої трикутної піраміди з атомом ксенону у вершині.

Це украй нестійке з'єднання, при розкладанні потужність вибуху наближається до потужності вибуху тротилу. Тому досить декілька сотень міліграм ХеО3, щоб ексикатор рознесло в шматки.

У перспективі передбачається використання триокиси ксенону як вибухівки. Така вибухівка була б дуже зручна, тому що усі продукти вибухової реакції - гази. Поки ж використовувати для цієї мети триокис ксенону занадто дорого із-за невеликих запасів в атмосфері і технічних складнощів.

Для отримання 1 м3 ксенону треба переробити 11 млн. м3 повітря.

Відповідна триокиси нестійка кислота шестивалентного ксенону H6XeO6 утворюється в результаті гідролізу XeF6 при температурі 0° З:

XeF6 + 6H2О = 6HF + H6XeO6

Якщо до продуктів цієї реакції швидко додати Ва #002, випадає білий аморфний

осад Ва3ХеО6. При 125° З він розкладається на окисел барії, ксенон і кисень.

Отримані аналогічні соли-ксенонати натрію і калію.

Під дією озону з розчину ХеО3 в одинмолярному їдкому натрі утворюється сіль вищої кислоти ксенону Na 4ХеО6. Перксенонат натрію може бути виділений у вигляді безбарвного кристалогідрату Na4XeO6 • 6Н2О. Також до утворення перксенонатов призводить гідроліз XeF6 в гідроокисах натрію і калію.

Досить обробити тверду сіль Na4XeO6 розчином нітрату свинцю, срібла або уранілу і виходять відповідні перксенонати:

Ag4XeO6 - чорного, bXeO6 і (UO2) 2XeO6 - жовтого кольору.

Аналогічні солі дають калій, кальцій, літій, цезий,.Взаимодействием Na4XeO6 з безводою охолодженою сірчаною кислотою, отримують оксид, відповідний вищій кислоті ксенону, - чотириокис ХеO4.

Як і в октафториде, валентність ксенону рівна восьми.

Твердий чотириокис при температурі вище 0° З розкладається на ксенон і кисень, а газоподібна (при кімнатній температурі) - на триокис ксенону, ксенон і кисень.

Молекула ХеO4 має форму тетраедра з атомом ксенону в центрі. Залежно від умов гідроліз гексафторида ксенону може йти двома шляхами:

виходить тетраоксифторид XeOF4

виходить диоксифторид XeO2F2.

Прямий синтез з елементів призводить до утворення оксифторида ХеОF2.

Нещодавно вивчена реакція дифториду ксенону з безводою НС1 O4.

Отримано нове з'єднання ксенону ХеСlO4 - потужний окисник, в результаті цієї реакції, найсильніший з усіх перхлоратов. Синтезовані з'єднання ксенону, що не містять кисню.

Це подвійні солі, продукти взаємодії фторидів ксенону з фторидами сурми, миш'яку, бору, танталу: XeF2 • SbF5, ХеF6 • AsF3, ХеF6 • ВF3 і ХеF2 • 2ТаF5.

І нарешті, отримані речовини типу XeSbF6, стійкі при кімнатній температурі, і XeSiF6 - нестійкий комплекс. На сьогодні вдалося встановити, що радон також взаємодіє з фтором, утворюючи нелеткі фториди.

Виділені і вивчені дифторид KrF2 і тетрафторид для криптону KrF4 за властивостями, що нагадують з'єднання ксенону. 4. Історія відкриття інертних газів.До благородних газів відносяться гелій, неон, аргон, криптон, ксенон і радон. За своїми властивостями вони не схожі ні на які інші елементи і в періодичній системі розташовуються між типовими металами і неметалами.

Історія відкриття інертних газів представляє великий інтерес: по-перше, як тріумф введених Ломоносовим кількісних методів хімії(відкриття аргону), а по-друге, як тріумф теоретичного передбачення (відкриття інших інертних газів), що спирається на найбільше узагальнення хімії - періодичний закон Менделєєва.

Відкриття фізиком Релеем і хіміком Рамзаем першого благородного газу - аргону - сталося в той час, коли побудова періодичної системи здавалася завершеною і в ній залишалася лише декілька порожніх клітин.

Ще 1785 року англійський хімік і фізик Г. Кавендиш виявив в повітрі якийсь новий газ, незвичайно стійкий хімічно. На долю цього газу доводилася приблизно одна сто двадцята частина об'єму повітря. Але що це за газ, Кавендишу з'ясувати не вдалося.

Про цей досвід згадали через 107 років, коли Джон Уильям Стратт (лорд Релей) натрапив на ту ж домішку, помітивши, що азот повітря важчий, ніж азот, виділений із з'єднань. Не знайшовши достовірного пояснення аномалії, Релей через журнал "Nature" звернувся до колег-дослідників природи з пропозицією разом подумати і попрацювати над розгадкою її причин..

Через два роки Релей і У. Рамзай встановили, що в азоті повітря дійсно є домішка невідомого газу, важчого, ніж азот, і украй інертного хімічно.

Повітря, за допомогою розжареної міді був позбавлений свого кисню і потім нагрітий з шматочками магнію в трубочці. Після того, як значна кількість азоту була поглинена магнієм, була визначена щільність залишку.

Щільність виявилася в 15 разів більше щільності водню, тоді як щільність азоту тільки в 14 разів більше за неї. Ця щільність зростала ще у міру подальшого поглинання азоту, поки не досягла 18.

Так було доведено, що повітря містить газ, щільність якого більше щільності азоту. Отримали 100 см3 цієї речовини з щільністю рівної 19,9. Воно виявилося одноатомним газом.

Коли вони виступили з публічним повідомленням про своє відкриття, це справило приголомшуюче враження. Багато чим здавалося неймовірним, щоб декілька поколінь учених, що виконали тисячі аналізів повітря, прогледіли його складову частину, та ще таку помітну - майже відсоток! До речі, саме цього дня і година, 13 серпня 1894 року, аргон і отримав своє ім'я, яке в перекладі з грецького означає "недіяльний".

Гелій уперше був ідентифікований як хімічний елемент в 1868 П. Жансеном при вивченні сонячного затемнення в Індії. При спектральному аналізі сонячної хромосфери була виявлена яскраво-жовта лінія, спочатку віднесена до спектру натрію, проте в 1871 Дж.Локьер і П. Жансен довели, що ця лінія не відноситься ні до одного з відомих на землі елементів. Локьер і Е.Франкленд назвали новий елемент гелієм від греч. "гелиос", що означає сонце.

У той час не знали, що гелій - інертний газ, і припускали, що це метал. І тільки опісля майже чверть століття гелій був виявлений на землі. У 1895, через декілька місяців після відкриття аргону, У.Рамзай і майже одночасно шведські хіміки П. Клюванні і Н.Ленгле встановили, що гелій виділяється при нагріванні мінералу клевеїту.

Рік потому Г. Кейзер виявив домішку гелію в атмосфері, а в 1906 гелій був виявлений у складі природного газу нафтових свердловин Канзасу. У тому ж році Е.Резерфорд і Т. Ройдс встановили, що a -частици, що випускаються радіоактивними елементами, є ядра гелію.

Після цього відкриття Рамзай дійшов висновку, що існує ціла група хімічних елементів, яка розташовується в періодичній системі між лужними металами і галогенами. Користуючись періодичним законом і методом Менделєєва, було визначено кількість невідомих благородних газів і їх властивості, зокрема їх атомні маси. Це дозволило здійснити і цілеспрямовані пошуки благородних газів.

Рамзай і його співробітники у пошуках інертних газів зайнялися мінералами, природними водами, навіть метеоритами. Проте, усе було безрезультатне, аналізи незмінно виявлялися негативними.

Між тим - новий газ в них був, але використовувані методи, не були досить чутливими і ці "мікросліди" не уловлювалися.

Почавши досліджувати повітря, всього за чотири наступні роки було відкрито чотири нові елементи, а такі гази, як неон, криптон і ксенон були навіть виділені з повітря.

Для цього, повітря, очищене заздалегідь від вуглекислоти і вологи, зріджували, а потім починали повільно випаровувати. При цій процедурі легші гази випаровуються і випари, що залишилися потім, важкі інертні гази розсортовують.

Отримані фракції піддавалися різним дослідженням.

Розглянемо спектральний аналіз, як один з методів визначення :

Це нескладна процедура дозволяє безпомилково ідентифікувати інертні газу по лініях спектру.

Для цього газ поміщається в розрядну трубку, до якої підключений струм.

Коли в розрядну трубку помістили першу, найлегшу і низькокиплячу фракцію повітря, то в спектрі разом з відомими лініями азоту, гелію і аргону були виявлені нові лінії, з них особливо яскравими були червоні і помаранчеві. Вони надавали світлу в трубці вогняне забарвлення. Цікава історія назви цього газу :

Коли Рамзай спостерігав, в черговому досвіді, спектр тільки що отриманого газу, до лабораторії увійшов його дванадцятирічний син, що встиг стати "прихильником" батькових робіт. Побачивши незвичайне світіння, він вигукнув: "new one"!, що по-древнегречески означає "новий".

Так виникла назва газу "неон".

Знайти інертні гази, що завершують четвертий, п'ятий і шостий періоди таблиці Менделєєва вдалося не відразу, хоча після того, як були відкриті гелій, неон і аргон, що завершують три перші періоди таблиці Менделєєва, в їх існуванні сумнівів не було.

Але на той час навчилися отримувати значні кількості рідкого повітря, в багато завдяки старанням англійської вченої Траверси.

Став доступний навіть рідкий водень.

І Рамзай спільно з Траверсом змогли зайнятися дослідженням найбільш труднолетучей фракції повітря, відгону гелію, водню, неону, кисню, азоту і аргону, що виходить потім.

Залишок взяв сирий (неочищений) криптон. І після відкачування його в посудині незмінно залишалася бульбашка газу. Цей газ давав своєрідний спектр з лініями в областях від помаранчевої до фіолетової і мав блакитнувате світіння в електричному розряді. Як відомо, по спектральних лініях можна безпомилково ідентифікувати елемент. І У Рамзая і Траверси були усі підстави вважати, що відкритий новий інертний газ.

Він дістав назву - ксенон, що в перекладі з грецького означає "чужий". Адже дійсно, в криптоновій фракції повітря він виглядав чужаком.

У пошуках нового елементу і для вивчення його властивостей Рамзай і Траверс переробили близько ста тонн рідкого повітря. Вміст ксенону в атмосфері украй мало, але саме повітря - практично єдине і невичерпне джерело ксенону (майже увесь ксенон повертається в атмосферу).

Індивідуальність ксенону як нового хімічного елементу встановили, оперуючи всього 0,2 см3 цього газу.

Рамзаю так само належить заслуга відкриття вищого представника інертних газів. Використовуючи тонкі технічні прийоми, він довів, що радіоактивне витікання з радію - еманація радію - є газ, що підкоряється усім законам звичайних газів, хімічно інертний і такий, що має характерний спектр. Рамзай виміряв швидкість дифузії, що дозволило встановити молекулярну вагу газу, що становить приблизно 220:

Виходячи з припущення, що ядро атома еманації радію - це залишок ядра радію після викидання з нього ядра атома гелію (a -частици), то виходить, що заряд його має дорівнювати 88-2=86. Таким чином, новий елемент має дійсно бути інертним газом. А його атомна вага 226-4=222. Офіційно було вирішено включити в періодичну систему нову групу хімічних елементів 16 березня 1900 року, після зустрічі Рамзая з Менделеевим.

Сфера застосування інертних газів.

Гелій - джерело низьких температур.

Рідкий гелій використовується при вивченні багатьох явищ, наприклад, надпровідність в твердому стані. Тепловий рух атомів і вільних електронів в твердих тілах практично відсутній при температурі рідкого гелію.

Крім того, рідкий гелій вигідний для охолодження магнітних надпровідників, прискорювачів часток і інших пристроїв. Досить незвичайним застосуванням гелію як холодагенту, являється процес безперервного змішення 3He і 4He, для створення і підтримки температур нижче 0,005 K

Газоподібний гелій використовують як легкий газ для наповнення повітряних куль.

Оскільки він не горючий, його використовують для заповнення оболонки дирижабля, додаючи до водню.

Гелій використовують як інертне середовище для дугового зварювання, особливо магнію і його сплавів, при отриманні Si, Ge, Ti і Zr, для охолодження ядерних реакторів.

Інші застосування гелію - для газового мастила підшипників, в лічильниках нейтронів (гелий- 3), газових термометрах, рентгенівській спектроскопії, для зберігання їжі, в перемикачах високої напруги. У суміші з іншими благородними газами гелій використовується в зовнішній неоновій рекламі (у газорозрядних трубках).

Великі кількості гелію застосовують в дихальних сумішах для робіт під тиском, оскільки гелій гірше розчинимо в крові, ніж азот. Наприклад при морських зануреннях, при створенні підводних тунелів і споруд.

При використанні гелію, виділення розчиненого газу з крові, декомпресія, у водолаза протікає менш хворобливо, менш вірогідна кесонна хвороба, Повністю виключено таке явище, як азотний наркоз, - постійний і небезпечний супутник роботи водолаза.

Суміші He - O2 застосовують, завдяки їх низькій в'язкості, для зняття нападів астми і для лікування різних захворюваннях дихальних шляхів.

Аргон широко застосовується на виробництві.

Дуже зручне дугове електрозварювання в середовищі аргону, оскільки в аргоновому струмені можна зварювати тонкостінні вироби і метали, які раніше вважалися трудносвариваемими. Вважається, що електрична дуга в аргоновій атмосфері внесла переворот в техніку різання металів. Процес набагато прискорився, з'явилася можливість різати товсті листи самих тугоплавких металів.

Продуванням аргону через рідку сталь з неї видаляють газові включення. Це покращує властивості металу. Аргон (у суміші з воднем), що продувається уздовж стовпа дуги, оберігає кромки розрізу і вольфрамовий електрод від утворення окисних, нитридних і інших плівок. Одночасно він стискує і концентрує дугу на малій поверхні, чому температура в зоні різання досягає 4000-6000° С.

Крім того газовий струмінь видуває продукти різання.

А при зварюванні в аргоновому струмені немає потреби у флюсах і електродних покриттях, а отже, і в зачистці шва від шлаку і залишків флюсу.

Застосування ксенону, частенько засновано на його здатності вступати в реакцію з фтором.

У медицині ксенон набув поширення при рентгеноскопічних обстеженнях головного мозку. Що застосовується при просвічуванні кишковика (ксенон сильно поглинає рентгенівське випромінювання і допомагає знайти місця поразки). При цьому він абсолютно нешкідливий.

А активний ізотоп ксенону, ксенон - 133, використовують при дослідженні функціональної діяльності легенів і серця.

У світлотехніці широко використовуються ксенонові лампи високого тиску. Принцип дії заснований на тому, що в таких лампах світить дуговий розряд в ксеноні, що знаходиться під тиском в декілька десятків атмосфер.

Світло в таких лампах яскраве і має безперервний спектр - від ультрафіолетового до ближньої області інфрачервоного, і з'являється він відразу після включення.

6. Дія на організм людини.

Було б природно вважати, що благородні гази не повинні впливати на живі організми, тому як інертні хімічно. Проте це не зовсім так. У з міси з киснем вдихання вищих інертних газів приводить людину в стан, схожий з алкогольним сп'янінням. Така наркотична дія інертних газів обумовлюється розчиненням їх в нервових тканинах. І чим вище атомна вага інертного газу, тим вище його розчинність, і тим більшу наркотичну дію він здатний чинити.