БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КОНФИГУРАЦИЯ, РЕАКЦИИ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ

Эти благородные газы представляют собой совокупность элементов , найденных путем интегрирования группы 18 периодической таблицы. На протяжении многих лет их также называли редкими или инертными газами, причем оба названия были неточными; некоторые из них очень многочисленны вне и внутри планеты Земля, и они также способны в экстремальных условиях реагировать.

Его семь элементов составляют, пожалуй, самую уникальную группу в периодической таблице, чьи свойства и низкая реакционная способность столь же впечатляющи, как и у благородных металлов. Среди них - самый инертный элемент (неон), второй по распространенности элемент Космоса (гелий) и самый тяжелый и нестабильный (оганесон).

Свечение пяти благородных газов в стеклянных флаконах или ампулах. Источник: Новая работа Alchemist-hp (обсуждение) www.pse-mendelejew.de); оригинальные одиночные изображения: Jurii, http://images-of-elements.com.

Благородные газы - самые холодные вещества в природе; выдерживают очень низкие температуры перед конденсацией. Еще сложнее его замораживание, поскольку его межмолекулярные силы, основанные на рассеянии Лондона, и поляризуемость его атомов слишком слабы, чтобы просто удерживать их связными в кристалле.

Из-за их низкой реактивности они относительно безопасны для хранения и не представляют большого риска. Однако они могут вытеснять кислород из легких и вызывать удушье при чрезмерном вдыхании. С другой стороны, двое из его членов являются высокорадиоактивными элементами и поэтому смертельно опасны для здоровья.

Низкая реакционная способность благородных газов также используется для обеспечения реакций в инертной атмосфере; так что ни один реагент или продукт не подвергается риску окисления и влияния на производительность синтеза. Это также способствует процессам электродуговой сварки.

С другой стороны, в жидком состоянии они представляют собой превосходные криогенные хладагенты, которые гарантируют самые низкие температуры, необходимые для правильной работы высокоэнергетического оборудования или для достижения некоторыми материалами состояния сверхпроводимости.

Характеристики благородных газов

Справа (выделено оранжевым) - группа благородных газов. Сверху вниз: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радон (Rn).

Возможно, благородные газы - это элементы, которые обладают большинством общих свойств, как физических, так и химических. Его основные характеристики:

- Все они бесцветные, без запаха и вкуса; но когда они помещены в ампулы при низком давлении и получают удар электрическим током, они ионизируются и испускают разноцветные огни (верхнее изображение).

- Каждый благородный газ имеет свой свет и спектр.

- Это одноатомные частицы, единственные в периодической таблице, которые могут существовать в своих соответствующих физических состояниях без участия химических связей (поскольку металлы соединены металлической связью). Следовательно, они идеально подходят для изучения свойств газов, так как очень хорошо адаптируются к сферической модели идеального газа.

- Обычно это элементы с самыми низкими температурами плавления и кипения; настолько, что гелий не может даже кристаллизоваться при абсолютном нуле без повышения давления.

- Из всех элементов они наименее реактивны, даже меньше, чем благородные металлы.

- Их энергия ионизации самая высокая, как и их электроотрицательность, если предположить, что они образуют чисто ковалентные связи.

- Их атомные радиусы также самые маленькие, потому что они находятся в крайнем правом углу каждого периода.

7 благородных газов

Семь благородных газов проходят сверху вниз по 18-й группе периодической таблицы:

-Helio, Он

-Неон, Ne

-Аргон, Ar

-Криптон, Кр

-Ксенон, Хе

-Радон, р-н

-Оганесон, Ог

Все они, за исключением нестабильного и искусственного оганесона, изучены на предмет их физических и химических свойств. Оганесон из-за своей большой атомной массы считается даже не газом, а благородной жидкостью или твердым телом. О радоне мало что известно из-за его радиоактивности по сравнению с гелием или аргоном.

Электронная конфигурация

Считается, что валентная оболочка благородных газов полностью заполнена. Настолько, что их электронные конфигурации используются для упрощения конфигурации других элементов с помощью их символов, заключенных в скобки (,, и т. Д.). Его электронные конфигурации:

-Гелий: 1s ² , (2 электрона)

-Неон: 1s ² 2s ² 2p ⁶ , (10 электронов)

-Аргон: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ , (18 электронов)

-Криптон: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ , (36 электронов)

-Ксенон: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶ , (54 электрона)

-Радон: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 4f ¹⁴ 5s ² 5p ⁶ 5d ¹⁰ 6s ² 6p ⁶ , (86 электронов)

Важно не запоминать их, а детализировать, что они заканчиваются на ns ² np ⁶ : октет валентности. Точно так же следует понимать, что его атомы имеют много электронов, которые из-за большой эффективной ядерной силы находятся в меньшем объеме по сравнению с объемом других элементов; то есть их атомные радиусы меньше.

Следовательно, их электронно-плотные атомные радиусы обладают химической характеристикой, присущей всем благородным газам: их трудно поляризовать.

поляризуемость

Благородные газы можно представить как сферы электронных облаков. Спускаясь по группе 18, ее радиусы увеличиваются, так же как и расстояние, отделяющее ядро от валентных электронов (у ns ² np ⁶ ).

Эти электроны ощущают меньшую силу притяжения со стороны ядра, они могут двигаться более свободно; сферы деформируются тем легче, чем они больше. Как следствие таких движений появляются области низкой и высокой концентрации электронов: полюса δ + и δ-.

Когда атом благородного газа поляризован, он становится мгновенным диполем, способным индуцировать другой атом к соседнему атому; то есть мы находимся перед рассеивающими силами Лондона.

Вот почему межмолекулярные силы увеличиваются от гелия к радону, что отражается в их повышении температуры кипения; И не только это, но и их реактивность увеличивается.

По мере того как атомы становятся более поляризованными, возрастает вероятность того, что их валентные электроны участвуют в химических реакциях, после которых образуются соединения благородных газов.

Реакции

Гелий и неон

Среди благородных газов наименее реактивными являются гелий и неон. Фактически, неон является наиболее инертным элементом из всех, хотя его электроотрицательность (от образования ковалентных связей) превышает таковую у фтора.

Ни одно из его соединений не известно в земных условиях; однако в Космосе вполне вероятно существование молекулярного иона HeH ⁺ . Точно так же, когда они находятся в электронном возбуждении, они способны взаимодействовать с газовыми атомами и образовывать короткоживущие нейтральные молекулы, называемые эксимерами; такие как HeNe, CsNe и Ne ₂ .

С другой стороны, хотя они не считаются соединениями в формальном смысле, атомы He и Ne могут давать начало молекулам Ван-дер-Уоллса; то есть соединения, которые удерживаются "вместе" просто за счет диспергирующих сил. Например: Ag ₃ He, HeCO, HeI ₂ , CF ₄ Ne, Ne ₃ Cl ₂ и NeBeCO ₃ .

Точно так же такие молекулы Ван-дер-Уоллса могут существовать благодаря слабым ионно-индуцированным дипольным взаимодействиям; например: Na ⁺ He ₈ , Rb ⁺ He, Cu ⁺ Ne ₃ и Cu ⁺ Ne ₁₂ . Обратите внимание, что эти молекулы могут даже стать агломератами атомов: кластерами.

И, наконец, атомы He и Ne могут быть «захвачены» или интеркалированы в эндоэдральные комплексы фуллеренов или клатратов, не вступая в реакцию; например: ₆₀ , (N ₂ ) ₆ Ne ₇ , He (H ₂ O) ₆ и Ne • NH ₄ Fe (HCOO) ₃ .

Аргон и криптон

Благородные газы аргон и криптон, поскольку они более поляризуемы, обычно содержат больше «соединений», чем гелий и неон. Однако часть из них более стабильны и характеризуются большей продолжительностью жизни. Среди некоторых из них - HArF и молекулярный ион ArH ⁺ , присутствующий в туманностях под действием космических лучей.

Из криптона начинается возможность получения соединений в экстремальных, но устойчивых условиях. Этот газ реагирует с фтором в соответствии со следующим химическим уравнением:

Kr + F ₂ → KrF ₂

Обратите внимание, что криптон приобретает степень окисления +2 (Kr ²⁺ ) благодаря фтору. KrF ₂ действительно может быть синтезирован в коммерческих количествах в качестве окислителя и фторирующего агента.

Аргон и криптон могут создать широкий набор клатратов, эндоэдральных комплексов, молекул Ван-дер-Вальса и некоторых соединений, ожидающих открытия после их предсказанного существования.

Ксенон и радон

Ксенон - король реактивности среди благородных газов. Он образует действительно стабильные, востребованные на рынке и обладающие характеристиками соединения. Фактически, его реакционная способность напоминает реакционную способность кислорода при определенных условиях.

Его первым синтезированным соединением было «XePtF ₆ », в 1962 году Нил Бартлетт. Фактически эта соль, согласно литературным данным, представляет собой сложную смесь других фторированных солей ксенона и платины.

Однако этого было более чем достаточно, чтобы продемонстрировать сродство ксенона и фтора. Среди некоторых из этих соединений мы имеем: XeF ₂ , XeF ₄ , XeF ₆ и ⁺^- . Когда XeF ₆ растворяется в воде, он образует оксид:

XeF ₆ + 3 H ₂ O → XeO ₃ + 6 HF

Этот XeO ₃ может образовывать разновидности, известные как ксенатос (HXeO ₄^- ) или ксеновую кислоту (H ₂ XeO ₄ ). Ксенаты непропорциональны перксенатам (XeO ₆^4- ); и если среда затем подкисляется пероксеновой кислотой (H ₄ XeO ₆ ), которая дегидратируется до тетроксида ксенона (XeO ₄ ):

H ₄ XeO ₆ → 2 H ₂ O + XeO ₄

Радон должен быть самым реактивным из благородных газов; Но он настолько радиоактивен, что едва успевает среагировать до распада. Единственные соединения, которые были полностью синтезированы, - это его фторид (RnF ₂ ) и оксид (RnO ₃ ).

производство

Сжижение воздуха

Благородные газы становятся более распространенными во Вселенной по мере того, как мы спускаемся через группу 18. Однако в атмосфере гелий дефицит, поскольку гравитационное поле Земли не может удерживать его в отличие от других газов. Поэтому его обнаружили не в воздухе, а на Солнце.

С другой стороны, в воздухе содержится заметное количество аргона, образующегося в результате радиоактивного распада радиоизотопа ⁴⁰ К. Воздух - самый важный естественный источник аргона, неона, криптона и ксенона на планете.

Для их производства воздух сначала нужно сжижить, чтобы он превратился в жидкость. Затем эта жидкость подвергается фракционной перегонке, таким образом разделяя каждый из компонентов ее смеси (N ₂ , O ₂ , CO ₂ , Ar и т. Д.).

В зависимости от того, насколько низкой должна быть температура и количество газа, цены на него растут, в результате чего ксенон считается самым дорогим, а гелий - самым дешевым.

Дистилляция природного газа и радиоактивных минералов

Гелий, в свою очередь, получают другой фракционной перегонкой; но не из воздуха, а из природного газа, обогащенного гелием за счет выделения альфа-частиц из радиоактивных минералов тория и урана.

Точно так же радон «рождается» в результате радиоактивного распада радия в его соответствующих минералах; но из-за их более низкого содержания и короткого периода полураспада атомов Rn их содержание смехотворно по сравнению с их сородичами (другими благородными газами).

И, наконец, оганесон - высокорадиоактивный, сверхмассивный, искусственный благородный «газ», который может существовать лишь кратковременно в контролируемых условиях в лаборатории.

Опасности

Основной риск благородных газов заключается в том, что они ограничивают использование кислорода человеком, особенно когда создается атмосфера с их высокой концентрацией. Поэтому не рекомендуется их чрезмерно вдыхать.

В Соединенных Штатах Америки высокая концентрация радона была обнаружена в почвах, богатых ураном, который из-за своих радиоактивных свойств может представлять опасность для здоровья.

Приложения

Промышленность

Гелий и аргон используются для создания инертной атмосферы для защиты во время сварки и резки. Кроме того, они используются при производстве кремниевых полупроводников. Гелий используется в качестве наполняющего газа в термометрах.

Аргон в сочетании с азотом используется при производстве ламп накаливания. Криптон, смешанный с галогенами, такими как бром и йод, используется в газоразрядных лампах. Неон используется в световых вывесках в смеси с люминофором и другими газами для придания ему красного оттенка.

Ксенон используется в дуговых лампах, излучающих свет, напоминающий дневной свет, которые используются в автомобильных фарах и проекторах. Благородные газы смешиваются с галогенами для получения ArF, KrF или XeCl, которые используются в производстве эксимерных лазеров.

Этот тип лазера излучает коротковолновый ультрафиолетовый свет, который дает изображения высокой точности и используется в производстве интегральных схем. Гелий и неон используются в качестве криогенных хладагентов.

Воздушные шары и дыхательные баллоны

Гелий используется в качестве заменителя азота в дыхательной газовой смеси из-за его низкой растворимости в организме. Это позволяет избежать образования пузырьков во время фазы декомпрессии во время подъема, а также исключить азотный наркоз.

Гелий заменил водород в качестве газа, который позволяет поднимать дирижабли и воздушные шары, потому что это легкий и негорючий газ.

Лекарство

Гелий используется в производстве сверхпроводящих магнитов, используемых в оборудовании для ядерного магнитного резонанса - универсальном инструменте в медицине.

Криптон используется в галогенных лампах, используемых в лазерной хирургии глаза и ангиопластике. Гелий используется для облегчения дыхания у пациентов с астмой.

Ксенон используется в качестве анестетика из-за его высокой растворимости в липидах и считается анестетиком будущего. Ксенон также используется при медицинской визуализации легких.

Радон, радиоактивный благородный газ, используется в лучевой терапии некоторых видов рака.

другие

Аргон используется в синтезе соединений, замещающих азот в качестве инертной атмосферы. Гелий используется в качестве газа-носителя в газовой хроматографии, а также в счетчиках Гейгера для измерения радиации.

Ссылки

Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (06 июня 2019 г.). Свойства, использование и источники благородных газов. Получено с: thinkco.com
Wikipedia. (2019). Благородный газ. Получено с: en.wikipedia.org
Филип Болл. (2012, 18 января). Невозможная химия: заставить работать благородные газы. Получено с: newscientist.com
Профессор Патрисия Шепли. (2011). Химия благородных газов. Получено с: butane.chem.uiuc.edu
Гэри Дж. Шробильген. (28 февраля 2019 г.). Благородный газ. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com

БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КОНФИГУРАЦИЯ, РЕАКЦИИ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025