БЛАГОРОДНІ ГАЗИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КОНФІГУРАЦІЯ, РЕАКЦІЇ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Ці благородні гази являють собою сукупність елементів , знайдених шляхом інтегрування групи 18 періодичної таблиці. З роками їх називали також рідкісними або інертними газами, обидві неточні назви; деякі з них дуже рясні зовні і всередині планети Земля, і вони також здатні в екстремальних умовах реагувати.

Його сім елементів складають чи не найбільш унікальну групу в періодичній таблиці, властивості та низька реакційна здатність настільки ж вражаючі, як і у благородних металів. Серед них парад найбільш інертний елемент (неон), другий за найбагатшими космосами (гелій), і найважчий і нестабільний (оганесон).

Свічення п’яти благородних газів у скляних флаконах або ампулах. Джерело: Нова робота Alchemist-hp (розмова) www.pse-mendelejew.de); оригінальні поодинокі зображення: Юрій, http://images-of-elements.com.

Шляхетні гази - найхолодніші речовини в природі; витримують дуже низькі температури перед конденсацією. Ще складніше його заморожування, оскільки його міжмолекулярні сили, засновані на лондонському розсіюванні, і поляризація його атомів занадто слабкі, щоб ледве тримати їх згуртованими в кристалі.

Через низьку реакційну здатність вони є відносно безпечними газами для зберігання і не створюють занадто багато ризиків. Однак вони можуть витісняти кисень з легенів і викликати задуху при надмірному вдиханні. З іншого боку, два його члени є високорадіоактивними елементами і, отже, смертельними для здоров'я.

Низька реактивність благородних газів також використовується для забезпечення реакцій з інертною атмосферою; так що жоден реагент або продукт не ризикує окислитись і вплинути на продуктивність синтезу. Це також сприяє процесам дугового зварювання.

З іншого боку, в рідкому стані вони є чудовими кріогенними холодоагентами, які гарантують найнижчі температури, необхідні для правильної роботи високоенергетичного обладнання або для отримання деяких матеріалів для надпровідності.

Характеристика благородних газів

Праворуч (виділений помаранчевим кольором) - група благородних газів. Зверху вниз: гелій (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) і радон (Rn).

Можливо, благородні гази - це елементи, які мають загальну кількість загальних якостей, як фізичних, так і хімічних. Основними його характеристиками є:

- всі вони безбарвні, без запаху та несмаку; але коли вони укладені в ампулах при низькому тиску та отримують електричний розряд, вони іонізуються та видають різнобарвні вогні (зображення зверху).

- Кожен благородний газ має своє світло і спектр.

- Це одноатомні види, єдині в періодичній таблиці, які можуть існувати у відповідних фізичних станах без участі хімічних зв’язків (оскільки метали з'єднуються металевим зв’язком). Тому вони ідеально підходять для вивчення властивостей газів, оскільки вони дуже добре адаптуються до сферичної моделі ідеального газу.

- Це, як правило, елементи з найнижчою температурою плавлення і кипіння; настільки, що гелій навіть не може кристалізуватися при абсолютному нулі без підвищення тиску.

- З усіх елементів вони найменш реакційноздатні, навіть менше, ніж благородні метали.

- Їх енергія іонізації є найвищою, як і їх електронегативність, якщо припустити, що вони утворюють суто ковалентні зв’язки.

- Їх атомні радіуси також найменші, оскільки вони знаходяться в крайньому правому куті кожного періоду.

7 благородних газів

Сім благородних газів спускаються зверху вниз через групу 18 періодичної таблиці:

-Хеліо, Він

-Неон, Не

-Аргон, Ар

-Кріптон, Кр

-Ксенон, Ксе

-Радон, Рн

-Оганесон, Ог

Усі вони, за винятком нестабільного та штучного оганезона, вивчені на їх фізичні та хімічні властивості. Вважається, що Оганесон, завдяки своїй великій атомній масі, навіть не є газом, а скоріше благородною рідиною або твердим тілом. Мало відомо про радон через його радіоактивність щодо гелію чи аргону.

Електронна конфігурація

Кажуть, що шляхетні гази повністю заповнюють свою валентну оболонку. Настільки, що їх електронні конфігурації використовуються для спрощення конфігурації інших елементів за допомогою їх символів, укладених у дужки (,,, тощо). Його електронними конфігураціями є:

-Гелій: 1s ² , (2 електрона)

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

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

-Кріптон: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ , (36 електронів)

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

-Radon: 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 електрони)

Важливо не пам’ятати їх, а докладно пояснювати, що вони закінчуються в ns ² np ⁶ : валентний октет. Так само слід враховувати, що в його атомах є багато електронів, які завдяки великій ефективній ядерній силі знаходяться в меншому об'ємі порівняно з аналогічними для інших елементів; тобто їх атомні радіуси менші.

Тому їхні електронно щільні атомні радіуси виявляють хімічну характеристику, яку поділяють усі благородні гази: їх важко поляризувати.

Поляризація

Шляхетні гази можна уявити як сфери електронних хмар. Під час спуску через групу 18 його радіуси збільшуються, і таким же чином відстань, що відокремлює ядро ​​від валентних електронів (відстань ns ² np ⁶ ).

Ці електрони відчувають менш привабливу силу ядром, вони можуть вільніше рухатися; сфери легше деформуються, чим вони більше. Як наслідок таких рухів з’являються області низької та високої щільності електронів: δ + та δ-полюси.

Коли атом благородного газу поляризований, він стає миттєвим диполем, здатним викликати інший до сусіднього атома; це означає, що ми перебуваємо перед дисперсійними силами Лондона.

Ось чому міжмолекулярні сили збільшуються від гелію до радону, що відображається на їх зростаючих температурах кипіння; і не тільки це, але і їх активність збільшується.

Оскільки атоми стають більш поляризованими, існує більша можливість, що їх валентні електрони беруть участь у хімічних реакціях, після чого утворюються благородні газові сполуки.

Реакції

Гелій та неон

Серед благородних газів найменш реакційноздатними є гелій та неон. Насправді, неон є найбільш інертним елементом з усіх, хоча його електронегативність (від утворення ковалентних зв'язків) перевищує рівень фтору.

Жодна його сполука не відома в земних умовах; однак у Космосі існування молекулярного іона HeH ⁺ цілком вірогідне . Так само, коли вони збуджуються в електронному вигляді, вони здатні взаємодіяти з газоподібними атомами та утворювати короткоживучі нейтральні молекули, які називаються збудниками; такі як HeNe, CsNe і Ne ₂ .

З іншого боку, хоча вони не вважаються сполуками у формальному сенсі, атоми He та Ne можуть породжувати молекули Ван дер Уоллса; тобто сполуки, які утримуються «разом» просто дисперсивними силами. Наприклад: Ag ₃ He, HeCO, HeI ₂ , CF ₄ Ne, Ne ₃ Cl ₂ і NeBeCO ₃ .

Аналогічно, такі молекули Ван-дер-Уоллса можуть існувати завдяки слабким іонно-дипольним взаємодіям; наприклад: Na ⁺ He ₈ , Rb ⁺ He, Cu ⁺ Ne ₃ і Cu ⁺ Ne ₁₂ . Зауважте, що ці молекули навіть можуть стати агломератами атомів: кластери.

І нарешті, атоми He і Ne можуть бути «захоплені» або інтеркальовані в ендоедральних комплексах фулеренів або клатратів, не реагуючи на них; наприклад: ₆₀ , (N ₂ ) ₆ Ne ₇ , He (H ₂ O) ₆ і Ne • NH ₄ Fe (HCOO) ₃ .

Аргон і криптон

Благородні гази аргон і криптон, оскільки вони більш поляризовані, як правило, представляють більше "сполук", ніж гелій та неон. Однак частина з них є більш стійкими та охарактеризованими, оскільки вони мають більший термін експлуатації. Серед деяких з них є HArF і молекулярний іон ArH ⁺ , присутній у туманностях під дією космічних променів.

З криптону починається можливість отримання сполук в екстремальних, але стійких умовах. Цей газ реагує з фтором згідно з наступним хімічним рівнянням:

Kr + F ₂ → KrF ₂

Зауважимо, що криптон отримує число окиснення +2 (Kr ²⁺ ) завдяки фтору. KrF ₂ насправді може бути синтезований у товарних кількостях як окислювач та фторування.

Аргон і криптон можуть створити широкий репертуар клатратів, ендоедральних комплексів, молекул Ван дер Валлса та деяких сполук, які очікують відкриття після передбачуваного існування.

Ксенон і радон

Ксенон - цар реактивності серед благородних газів. Він утворює по-справжньому стійкі, товарні та охарактеризовані сполуки. Фактично, його реактивність нагадує кисень у належних умовах.

Першим його синтезованим з'єднанням був "XePtF ₆ ", у 1962 році Ніл Бартлетт. За даними літератури ця сіль насправді складалася із складної суміші інших фторованих солей ксенону та платини.

Однак цього було більш ніж достатньо, щоб продемонструвати спорідненість між ксеноном та фтором. Серед деяких з цих сполук є: XeF ₂ , XeF ₄ , XeF ₆ і ^{+ -} . Коли XeF ₆ розчиняється у воді, він утворює оксид:

XeF ₆ + 3 H ₂ O → XeO ₃ + 6 HF

Цей XeO ₃ може походити з видів, відомих як ксенато (HXeO ₄ ^- ) або ксенової кислоти (H ₂ XeO ₄ ). Ксенати, непропорційні до перксенатів (XeO ₆ ^4- ); і якщо середовище потім підкисляється, в пероксеновій кислоті (H ₄ XeO ₆ ), яка зневоднюється до тетроксиду ксенону (XeO ₄ ):

H ₄ XeO ₆ → 2 H ₂ O + XeO ₄

Радон повинен бути найреактивнішим з благородних газів; Але він настільки радіоактивний, що навряд чи встигає відреагувати перед розпадом. Єдиними сполуками, які повністю синтезовані, є його фтор (RnF ₂ ) та оксид (RnO ₃ ).

Виробництво

Зрідження повітря

Благородні гази стають все більш рясними у Всесвіті, коли ми спускаємось через групу 18. Однак в атмосфері гелій мало, оскільки гравітаційне поле Землі не може утримувати його на відміну від інших газів. Ось чому його виявляли не в повітрі, а на Сонці.

З іншого боку, в повітрі є значна кількість аргону, що виходить від радіоактивного розпаду радіоізотопу ⁴⁰ К. Повітря є найважливішим природним джерелом аргону, неону, криптону та ксенону на планеті.

Для їх отримання повітря спочатку потрібно зріджувати, щоб він конденсувався в рідину. Потім ця рідина піддається фракційній дистиляції, таким чином відокремлюючи кожен з компонентів своєї суміші (N ₂ , O ₂ , CO ₂ , Ar тощо).

Залежно від того, наскільки низькою є температура і кількість газу, ціни її зростають, класифікуючи ксенон як найдорожчий, а гелій - найдешевший.

Перегонка природного газу та радіоактивних корисних копалин

Гелій, зі свого боку, отримують шляхом іншої фракційної перегонки; але не з повітря, а з природного газу, збагаченого гелієм завдяки вивільненню альфа-частинок з радіоактивних мінералів торію та урану.

Так само радон "народжується" від радіоактивного розпаду радію у відповідних мінералах; але внаслідок їх меншої кількості та короткого періоду напіврозпаду атомів Rn їх чисельність є насмішною порівняно з кількістю їхніх споріднених (інші благородні гази).

І нарешті, оганезон - це високо радіоактивний, ультрамасичний, антропогенний благородний "газ", який може існувати лише коротко у контрольованих умовах у лабораторії.

Небезпеки

Основний ризик благородних газів полягає в тому, що вони обмежують використання кисню людиною, особливо коли утворюється атмосфера з високою концентрацією їх. Ось чому не рекомендується вдихати їх надмірно.

У США виявлено високу концентрацію радону у ґрунтах, багатих ураном, що через його радіоактивні характеристики може становити небезпеку для здоров’я.

Програми

Промисловість

Гелій та аргон використовуються для створення інертної атмосфери для захисту під час зварювання та різання. Крім того, їх використовують у виробництві кремнієвих напівпровідників. Гелій використовується як заправний газ у термометрах.

Аргон у поєднанні з азотом використовується у виробництві ламп розжарювання. Криптон, змішаний з галогенами, такими як бром і йод, використовується в розрядницьких лампах. Неон використовується у світлих знаках, змішується з люмінофором та іншими газами, щоб відтінити його червоний колір.

Ксенон використовується в дугових лампах, які випромінюють світло, що нагадує денне світло, які застосовуються в автомобільних фарах та проекторах. Благородні гази змішуються з галогенами для отримання ArF, KrF або XeCl, які використовуються при виробництві ексимерних лазерів.

Цей тип лазера виробляє короткохвильове ультрафіолетове світло, яке створює зображення високої точності і використовується при виробництві інтегральних мікросхем. Гелій та неон використовують як кріогенні гази холодоагенту.

Повітряні кулі та дихальні баки

Гелій використовується як замінник азоту в дихальній газовій суміші, через низьку розчинність в організмі. Це дозволяє уникнути утворення бульбашок під час фази декомпресії під час сходження, крім усунення наркозу азоту.

Гелій замінив водень як газ, який дозволяє підвищувати дирижаблі та повітряні кулі, оскільки це легкий і негорючий газ.

Ліки

Гелій використовується у виробництві надпровідних магнітів, що застосовуються в обладнанні ядерного магнітного резонансу - багатоцільовому інструменті в медицині.

Криптон використовується в галогенових лампах, що застосовуються в лазерній хірургії ока та ангіопластиці. Гелій застосовується для полегшення дихання хворим на астму.

Ксенон використовується як анестетик через високу розчинність ліпідів і вважається анестетиком майбутнього. Ксенон також використовується в медичних томографіях легенів.

Радон, радіоактивний благородний газ, застосовується в променевій терапії деяких видів раку.

Інші

Аргон використовується в синтезі сполук, що заміщують азот як інертну атмосферу. Гелій використовується як газ-носій в газовій хроматографії, а також в лічильниках Гейгера для вимірювання випромінювання.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання.
3. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (06 червня 2019 р.). Властивості, використання та джерела благородних газів. Відновлено з: thinkco.com
4. Вікіпедія. (2019). Благородний газ. Відновлено з: en.wikipedia.org
5. Філіп Бал. (2012 р., 18 січня). Неможлива хімія: змушування благородних газів працювати. Відновлено: newscientist.com
6. Професор Патрісія Шаплі. (2011 р.). Благородна хімія газу. Відновлено з: butane.chem.uiuc.edu
7. Гері Дж. Шробільген. (28 лютого 2019 р.). Благородний газ. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com