Введение

К благородным, или инертным, газам относятся: гелий Не , неон Ne , аргон Ar , криптон Kr , ксенон Хе , радон Rn . Они относятся к VIII группе, главной подгруппе периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Одноатомные газы без цвета и запаха. Внешняя электронная оболочка молекул заполнена (s 2 p 6), благодаря чему при нормальных условиях благородные газы моноатомны и химически инертны. Входят в состав земной атмосферы: наиболее распространен аргон (0,934% по объему), наименее распространен ксенон (0,86*10 -5 %). В небольших количествах содержатся в некоторых минералах, природных газах, в растворенном виде - в воде. Кроме этого, обнаружены также в атмосферах планет-гигантов и на Солнце (гелий).

Химия благородных газов не является разнообразной в виду их инертности, но с другой стороны представляет собой очень интересной к исследованию из-за их особого строения и свойств. Изучение данных элементов и их соединений является очень актуальным, так как находится на стадии развития. Именно по этим причинам я посвятил им свою работу.

получение свойство благородный газ

История открытия благородных газов

Открытие благородных газов и изучение их свойств представляют собой очень интересную историю, хотя и вызвавшую некоторые потрясения у ученых-химиков. Этот период в истории химии даже называли полушутливо «кошмаром благородных газов».

Первый благородный газ, аргон, был открыт в 1894 году. В это время возник горячий научный спор между двумя британскими учеными - лордом Рэлеем и Вильямом Рамзаем. Релею пришло в голову, что азот, полученный из воздуха после удаления кислорода, имел плотность несколько большую, чем азот, полученный химическим путем. Рамзай придерживался той точки зрения, что такую аномалию в плотности можно объяснить присутствием в воздухе неизвестного тяжелого газа. Его коллега, напротив, не хотел согласиться с этим. Релей считал, что это, скорее, какая-то тяжелая озоноподобная модификация азота.

Внести ясность мог только эксперимент. Рамзай удалил из воздуха кислород обычным способом - использовав его для сжигания, и связал азот, как он это обычно делал в своих лекционных опытах, пропуская его над раскаленным магнием. Применив оставшийся газ для дальнейших спектральных исследований, изумленный ученый увидел невиданный раньше спектр с красными и зелеными линиями.

Все лето 1894 года лорд Релей и Рамзай вели оживленную переписку и 18 августа сообщили об открытии новой составной части атмосферы - аргона. Рамзай продолжил свои опыты и выяснил, что аргон еще более инертен, чем азот, и, очевидно, вообще не реагирует с каким-либо другим химическим веществом. Именно за это свойство он получил свое название: «аргон» - от греческого «инертный».

Рамзай определил атомную массу аргона: 40. Следовательно, его надо было бы поместить между калием и кальцием. Однако там не было свободного места! Чтобы разрешить это противоречие, высказывались различные гипотезы. В частности, Д.И. Менделеев предположил, что аргон - аллотропическая модификация азота N 3 , молекула которой обладает высокой устойчивостью.

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 1971 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. “генлиос” что означает солнце. В это время не знали, что гелий - инертный газ и предпологали, что это металл. И только спустя четверть века гелий был обнаружен на Земле.

В 1890 году Рамзай обратил внимание на то, что при разложении минерала клевеита кислотами выделяются значительные количества газа, который он считал азотом.

Теперь Рамзай хотел проверить - быть может, в этом азоте, связанном в минерале, можно было бы обнаружить аргон! Он разложил две унции редкой породы серной кислотой. В марте 1895 он изучил спектр собранного газа и был необычайно поражен, когда обнаружил сверкающую желтую линию, отличающуюся от известной желтой спектральной линии натрия.

Это был новый газ, не известный до той поры газообразный элемент. Уильям Крукс, который в Англии считался первейшим авторитетом в области спектрального анализа, сообщил своему коллеге, что пресловутая желтая линия - та же, что была замечена Локьером и Жансеном в 1868 году в спектре Солнца: следовательно, гелий есть и на Земле. Год спустя Г. Кейзер обнаружил примеси 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 альфа-частицы испускаемые радиоактивными элементам представляют собой ядра гелия.

Рамзай нашел способ, как разместить оба вновь открытых газа в периодической системе, хотя формально места для них не было. К известным восьми группам элементов он добавил нулевую группу, специально для нульвалентных, нереакционноспособных благородных газов, как теперь стали называть новые газообразные элементы.

Когда Рамзай разместил благородные газы в нулевой группе по их атомной массе - гелий 4, аргон 40, то обнаружил, что между ними есть место еще для одного элемента. Рамзай сообщил об этом осенью 1897 года в Торонто на заседании Британского общества. После многих неудачных опытов Рамзаю пришла в голову мысль искать их в воздухе. Тем временем немец Линде и англичанин Хемпсон практически одновременно опубликовали новый способ сжижения воздуха. Этим методом и воспользовался Рамзай и, действительно, с его помощью смог обнаружить в определенных фракциях сжиженного воздуха недостающие газы: криптон («затаившийся»), ксенон («чужой») и неон («новый»).

После этих открытий стало ясно, что в природе существует группа новых химических элементов и для нее нужно найти место в системе химических элементов. Поскольку эти новые элементы были исключительно инертными и не проявляли химических свойств, то по предложению бельгийского химика Эрреры, а также Рамзая, и по согласованию с Д.И. Менделеевым в 1900 году в Периодическую систему была введена нулевая группа химических элементов, в которую вошли названные элементы, а также радон («луч») - продукт радиоактивного распада радия (открыт в 1901 году). Нулевая группа, естественно, располагалась перед первой группой; номер группы в Периодической системе связан с максимальной валентностью химических элементов, проявляемой ими в кислородных соединениях, или с максимальной степенью окисления. Огромные усилия химиков разных стран, направленные на выявление реакционной способности новых элементов, были тщетными. Они не вступали во взаимодействие ни с какими, даже самыми активными веществами, и потому был сделан вывод, что валентность и степень окисления благородных газов равны нулю. В связи с этим их назвали «инертными газами». Впоследствии это название было заменено термином «благородные газы».

Открытие благородных газов имело огромное значение для научного сообщества. В частности, оно помогло в проведении спектральных исследований. Оранжевая линия спектра стабильного изотопа криптона-86 принята в качестве международного эталона длины волны света. Однако самое большое значение открытие этих элементов имело для развития понятия валентности и учения о межмолекулярных силах. В этом направлении работали ученые Коссель и Льюис, которые выдвинули гипотезу о том, что электронная оболочка из 8 электронов наиболее устойчива и различные атомы стремятся приобрести ее путем присоединения или отщепления электронов.

До 1962 года считалось, что инертные газы не вступают ни в какие реакции. В 1962 году канадский ученый Н. Бартлетт смог получить соединение ксенона и гексафторида платины XePtF 6 . Бартлетт впервые получил соединение, в которое была вовлечена восьмиэлектронная оболочка ксенона. Таким образом был разрушен миф об абсолютной инертности благородно-газовой оболочки. После этого название «инертные газы» уже не соответствовало действительности, поэтому по аналогии с малоактивными благородными металлами эту группу химических элементов назвали благородными газами. Поскольку были получены химические соединения, в которых максимальная валентность благородных газов равна 8, вместо нулевой группы их стали считать главной подгруппой VIII группы Периодической системы.

В 1962 г. на страницах химических журналов появились формулы необычных химических соединений : XePtF 6 , XeF 2 , XeF 4 , XeF 6 . Появление этих веществ было неожиданным потому, что прежде никому в мире не удалось приготовить ни одного химического соединения инертных газов. Так называется совокупность химических элементов, располагающихся на правом «фланге» периодической системы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон.

Распространенность инертных газов в природе.

Способность инертных газов вступать в химические взаимодействия стала второй неожиданностью в их истории. Первая же состояла в самом факте их открытия, которое произошло в течение очень короткого времени - с 1894 по 1898 г. Состав земной атмосферы уже тогда считался хорошо изученным, и не было даже предположений о том, что она может содержать неизвестные газы элементарной природы.

Английский физик Дж. Рэлей обратил внимание на загадочное обстоятельство: плотности атмосферного азота и азота , полученного из химических соединений, различались. Пусть немного, но всегда на одну и ту же величину. Чтобы объяснить эту аномалию, Рэлей обратился за помощью к своему соотечественнику - химику и физику У. Рамзаю. Обсудив ситуацию и повторив эксперименты, ученые пришли к выводу, что в атмосферном азоте содержится примесь неизвестного газа. Его удалось выделить и определить спектр этого газа. Новый газ получил название «аргон», что в переводе с греческого означает «недеятельный», потому что аргон действительно оказался не способным вступать в химические реакции. Некоторое время его даже считали не химическим элементом, а аллотропным видоизменением (см. Аллотропия) азота (подобно тому, как известны кислород O 2 и озон O 3).

В 1895 г. из уранового минерала клевеита был выделен другой «бездеятельный элемент» - гелий (еще раньше его нашли по спектральным линиям на Солнце и в вулканических газах (см. Спектральный анализ), позднее его обнаружили и в земной атмосфере), а спустя 3 года из воздуха были выделены 3 инертных элемента - криптон, неон и ксенон (названия происходят от греческих слов, означающих соответственно «скрытый», «новый», «чуждый»). Решающая роль в этих открытиях принадлежит У. Рамзаю. Выделить перечисленные газы помогла техника сжижения воздуха и разделения его на фракции, различающиеся по температурам сжижения. Наконец, в 1899 г. в Канаде Э. Резерфорд и Р. Оуэне, изучая явление радиоактивности, доказали существование последнего инертного газа - радона (название от элемента радия, продуктом радиоактивного распада которого является радон).

Некоторое время ученые спорили о том, как разместить инертные газы в периодической системе: ни в одной из ее 8 групп подходящего места не было. В конце концов в 1900 г. пришли к выводу, что целесообразно создать в периодической системе самостоятельную нулевую группу. С тех пор такая группа, включающая элементы с порядковыми номерами 2, 10, 18, 36, 54, 86, стала фигурировать в таблице Менделеева, инертные газы завершали её периоды (с первого по шестой).

Объяснить химическую бездеятельность инертных газов удалось только после разработки планетарной модели атома. Атомы всех инертных газов, кроме гелия, содержат на внешней электронной оболочке 8 электронов. Такой электронный «октет» считался весьма устойчивым, и это представление легло в основу объяснения ионной и ковалентной химической связи (см. Химическая связь). Только в начале 60-х гг. XX в. оказалось, что неспособность инертных газов вступать в химические реакции - заблуждение ученых. Разрушить «броню неприступности» этих элементов помог неметалл - фтор .

Сегодня известно уже около 200 химических соединений ксенона, криптона и радона - фторидов, хлоридов, оксидов, кислот, солей и нитридов. Такое изобилие привело к тому, что в современной периодической системе нулевая группа упразднена: все инертные газы стали помещать в главную подгруппу VIII группы. Правда, с таким решением согласны не все химики: ведь для аргона получение сколь-либо устойчивых химических соединений проблематично, а для гелия и неона оно вообще едва ли возможно.

Но и само понятие «инертные», конечно, утратило свой прежний смысл. Нередко гелий и его аналоги называют также благородными газами (поскольку они, как ранее благородный металл золото, не «хотели» вступать в химические реакции). Когда-то У. Рамзай предлагал еще одно название: редкие. Он писал, что «ксенона в воздухе меньше, чем золота в морской воде», и был недалек от истины. Инертные газы действительно принадлежат к наименее распространенным на Земле элементам. Наиболее «богата» земная атмосфера аргоном (его гораздо больше, чем всех остальных инертных газов, вместе взятых). Поэтому-то аргон и был открыт первым.

Инертные газы широко используются в науке и технике. Изучение свойств жидкого гелия привело к удивительным открытиям в физике (сверхтекучести, сверхпроводимости); газообразный гелий необходим для проведения многих научных исследований. Инертными газами заполняют светильники, трубки реклам, лампы различного назначения. Инертные газы используются в производстве сильно окисляющихся веществ. Химические соединения инертных газов также интересны не только для теоретиков; они сильнейшие окислители и поэтому позволили осуществить некоторые казавшиеся ранее необычными химические реакции, например получение соединений пятивалентного золота.

Инертные газы (благородные газы) - элементы, образующие 18 группу ПС (в короткопериодном варианте - главную подгруппу 8 группы): гелий He (атомный номер 2), неон Ne (Z = 10), аргон Ar (Z = 18) криптон Kr (Z = 36), ксенон Xe (Z = 54) и радон Rn (Z = 86). Инертные газы постоянно присутствуют в воздухе (в 1 м 3 воздуха их содержится около 9,4 литров, главным образом Ar). Состав же воздуха ученые анализировали уже со второй половины 18 века. Однако обнаружить инертные газы долгое время не удавалось. Из-за своей химической пассивности они никак не проявляли себя в обычных реакциях и ускользали из поля зрения исследователей. Только после открытия спектрального анализа были открыты сначала гелий и аргон, а затем и другие инертные газы. В начале 20 века человечество с удивлением узнало, что воздух, такой привычный и, казалось, изученный, содержит 6 неизвестных ранее элементов.

Инертные газы находятся в растворенном виде в воде, содержатся в некоторых горных породах. Гелий иногда входит в состав подземных газов. Такие газы являются его единственным промышленным источником. Неон, аргон, криптон и ксенон добывают из воздуха в процессе его разделения на азот и кислород.

Источником Rn служат препараты урана, радия и других радиоактивных элементов. Хотя и все инертные газы, кроме радона, стабильны, их происхождение во многом связано с радиоактивностью. Так, ядра гелия, иначе называемые ɑ-частицами, постоянно образуются в результате радиоактивного распада урана или тория. Аргон-40, преобладающий в природной смеси изотопов аргона, возникает при радиоактивном распаде изотопа калия-40. Наконец, происхождение большей части земных запасов Xe обусловлено, вероятно, самопроизвольным делением ядер урана.

Все инертные газы не имеют ни цвета, ни запаха. Внешние электронные оболочки их атомов содержат максимально возможное для соответствующих внешних оболочек число электронов: 2 у гелия и по 8 у остальных. Такие оболочки обладают высокой устойчивостью. С этим связана, во-первых, химическая пассивность инертных газов по отношению к другим элементам. А во-вторых, неспособность их атомов вступать в связь друг с другом, вследствие чего молекулы их одноатомны. Инертные газы, особенно легкие, трудно перевести в жидкое состояние. Попробуем разобраться. Почему это так. Молекулы других газов либо представляют собой постоянные диполи, как, например, HCl, либо легко становятся диполями (Cl 2). У постоянных диполей «центры тяжестей» положительного и отрицательного зарядов постоянно не совпадают между собой. Образование же диполя в молекулах типа Cl 2 связано со смещением в них «центров тяжести» зарядов друг относительно друга под воздействием внешних сил, в частности под действием электрических полей соседних молекул. Таким образом, и в молекулах HCl, и в молекулах Cl 2 между разноименным полюсами диполей существуют силы электростатического притяжения. При определенных пониженных температурах этих сил оказывается достаточно, чтобы удержать молекулы друг возле друга. У атомов инертных газов расположение электронов вокруг ядер строго сферическое. Поэтому соседние атомы не могут вызвать смещение «центров тяжести» электрических зарядов в их атомах и привести к образованию «наведенного» диполя, как в молекулах хлора. Таким образом, ни постоянных, ни наведенных диполей в атомах инертных газов нет. А раз так, то и силы притяжения между ними при нормальных условиях практически отсутствуют. Однако ввиду постоянных колебаний атомов, «центры» зарядов могут на мгновение сместиться в разные стороны атома. Возникающие при образовании этого мгновенного диполя силы электростатического притяжения очень малы, однако при очень низких температурах их хватает для того, чтобы сконденсировать эти газы.

Долгое время попытки получить обычные химические соединения инертных газов, оканчивались неудачами. Положить конец представлениям об абсолютной химической недеятельности инертных газов удалось канадскому ученому Н. Бартлетту, который в 1962 году сообщил о синтезе соединения ксенона с гексафторидом платины PtF 6 . Полученное соединение ксенона имело состав Xe. В последующие годы было синтезировано большое количество и других соединений радона, ксенона и криптона.

Давайте рассмотрим поподробнее химические свойства инертных газов.

Ксенон

Из-за своей малой распространенности ксенон гораздо дороже более легких благородных газов. Для получения 1 м 3 ксенона необходимо переработать 10 млн м 3 воздуха. Таким образом, ксенон является редчайшим газом земной атмосферы.

При взаимодействии ксенона со льдом под давлением получен его гексагидрат Xe∙6H 2 O. Под давлением при кристаллизации фенола выделено другое клатратное соединения с фенолом Xe∙6C 6 H 5 OH. Получены и охарактеризованы триокисд ксенона XeO 3 в виде бесцветных кристаллов и тетраокстд XeO 4 в виде газа как чрезвычайно взрывчатые вещества. При 0°C происходит диспропорционирование:

2XeO 3 = XeO 4 + Xe + O 2

При взаимодействии с водой тетраоксида ксенона, где ксенон в степени окисления +8, образуется сильная перксеноновая кислота H 4 XeO 6 , которую не смогли выделить в индивидуальном состоянии, но получили соли - перксенаты щелочных металлов. Только соли калия, рубидия и цезия оказались растворимы в воде.

Газообразный ксенон вступает в реакцию с гексафторидом платины PtF 6 с образованием гексафторплатината ксенона Xe. При нагревании в вакууме он взгоняется без разложения, а в воде гидролизуется с выделением ксенона:

2Xe + 6H 2 O = 2Xe + O 2 + 2PtO 2 + 12HF

В дальнейшем выяснилось, что ксенон образует с гексафторидом платины 2 соединения: Xe и Xe 2 . При нагревании ксенона с фтором образуется XeF 4 , который фторирует фтор и платину:

XeF 4 + 2Hg = Xe + 2HgF 2
XeF 4 + 2Pt = Xe + 2PtF 4

В результате гидролиза XeF 4 образуется неустойчивый XeO 3 , разлагающийся на воздухе со взрывом.

Получены также XeF 2 и XeF б, последний из которых распадается со взрывом. Он чрезвычайно активен, легко реагирует с фторидами щелочных металлов:

XeF 6 + RbF = Rb

Полученная соль рубидия разлагается при 50°C до XeF 6 и RbXeF 8
С озоном в щелочной среде XeO 3 образует натриевую соль Na 4 XeO 6 (перксенонат натрия). Перксенонат-анион - это самый сильный из известных окислителей. Также сильным окислителем является Xe(ClO- 4) 2 . Это самый сильный окислитель из всех известных перхлоратов.

Радон

Радон образует клатраты, которые хотя и имеют постоянный состав, но химических связей с участием радона в них нет. Известны гидраты Rn∙6H 2 O, аддукты со спиртами, например Rn∙2C 2 H 5 OH и др. С фтором радон при высоких температурах образует соединения состава RnF n , где n = 4, 6, 2.

Криптон

Криптон образует клатратные соединения с водой, серной кислотой, галоген водородами, с фенолом, тоулолом и другими органическими вещества. При взаимодействии криптона с фтором можно получить его ди- и тетрафториды, устойчивые только при пониженных температурах. Дифторид проявляет свойства окислителя:

KrF 2 + 2HCl = Kr + Cl 2 + 2HF

2KrF 2 + 2H 2 O = 2Kr + O 2 + 4HF

Получить соединения более легких инертных газов не удалось. Теоретические расчеты показали, что соединения аргона, может быть, и будут синтезированы, а вот у гелия и неона их получить нельзя.

- (инертный газ), группа газов без цвета и запаха, составляющих группу 0 в периодической таблице Менделеева. К ним причисляют (в порядке возрастания атомного номера) ГЕЛИЙ, НЕОН, АРГОН, КРИПТОН, КСЕНОН и РАДОН. Низкая химическая активность… … Научно-технический энциклопедический словарь

БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ - БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ, хим. элементы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и эманация. Получили свое название за неспособность вступать в реакции с другими элементами. В 1894 г. англ. ученые Рэлей и Рам зай установили, что N, полученный из воздуха,… … Большая медицинская энциклопедия

- (инертные газы), химические элементы VIII группы периодической системы: гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn. Химически инертны; все элементы, кроме He, образуют соединения включения, например Ar?5,75H2O, Xe оксиды,… … Современная энциклопедия

Благородные газы - (инертные газы), химические элементы VIII группы периодической системы: гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn. Химически инертны; все элементы, кроме He, образуют соединения включения, например Ar´5,75H2O, Xe оксиды,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (инертные газы) химические элементы: гелий Не, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Хе, радон Rn; относятся к VIII группе периодической системы. Одноатомные газы без цвета и запаха. В небольших количествах присутствуют в воздухе, содержатся в… … Большой Энциклопедический словарь

Благородные газы - (инертные газы) элементы VIII группы периодической системы Д. И. Менделеева: гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn. В небольших количествах присутствуют в атмосфере, содержатся в некоторых минералах, природных газах, в… … Российская энциклопедия по охране труда

БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ - (см.) простые вещества, образованные атомами элементов главной подгруппы VIII группы (см.): гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. В природе они образуются при различных ядерных процессах. В большинстве случаев их получают фракционной… … Большая политехническая энциклопедия

- (инертные газы), химические элементы: гелий Не, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Хе, радон Rn; относятся к VIII группе периодической системы. Одноатомные газы без цвета и запаха. В небольших количествах присутствуют в воздухе, содержатся в… … Энциклопедический словарь

- (инертные газы, редкие газы), хим. элементы VIII гр. периодич. системы: гелий (Не), неон(Ne), аргон (Аr), криптон (Кr), ксенон (Хе), радон(Rn). В природе образуются в результате разл. ядерных процессов. Воздух содержит 5,24*10 4% по объему Не,… … Химическая энциклопедия

- (инертные газы), хим. элементы: гелий Не, неон Nе, аргон Аr, криптон Кг, ксенон Хе, радон Rn; относятся к VIII группе периодич. системы. Одноатомные газы без цвета и запаха. В небольших кол вах присутствуют в воздухе, содержатся в нек рых… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Книги

• , Д. Н. Путинцев, Н. М. Путинцев. В книге рассмотрены структурные, термодинамические и диэлектрические свойства благородных газов, их взаимосвязь друг с другом и с межмолекулярным взаимодействием. Часть текста пособия служит…
• Строение и свойства простых веществ. Благородные газы. Учебное пособие. Гриф МО РФ , Путинцев Д.Н.. В книге рассмотрены структурные, термодинамические и диэлектрические свойства благородных газов, их взаимосвязь друг с другом и с межмолекулярным взаимодействием. Часть текста пособия служит…