Аргон гелий криптон неон ксенон что их объединяет и как их называют
Даже если вы очень далеки от химии, скорее всего, вы хотя бы раз в своей жизни могли услышать выражение «благородные газы». К ним относятся всем известные неон, криптон, аргон, ксенон, гелий и радон. Так почему же именно газы стали называться благородными? И в чем же именно заключается их благородство? Давайте попробуем разобраться вместе.
Благородных газов в природе всего 6: Неон, Криптон, Аргон, Ксенон, Гелий и Радон
Что такое инертные газы?
Благородные газы, известные в химии благодаря своему уникальному свойству не смешиваться с другими веществами, также часто называют инертными. Как можно судить из названия, “благородство” инертных газов не позволяет им взаимодействовать с более простыми субстанциями и даже друг с другом. Такая избирательность благородных газов вызвана их атомным строением, которое проявляется в замкнутой внешней электронной оболочке, не позволяющей радону, гелию, ксенону, аргону, криптону и неону обмениваться своими электронами с атомами других газов.
Самым распространенным инертным газом в природе считают аргон, который занимает почетное третье место по содержанию в атмосфере Земли после азота и кислорода. У аргона нет вкуса, запаха и цвета, однако именно этот газ считается одним из самых распространенных во Вселенной. Так, наличие этого газа наблюдается даже в некоторых планетарных туманностях и в составе некоторых звезд.
При нагревании в газоразрядной трубке аргон приобретает розовый оттенок
Самым редким благородным газом в природе считают ксенон, который несмотря на свою редкость, содержится в атмосфере Земли наряду с аргоном. Ксенон обладает наркотическими свойствами и часто применяется в медицине в качестве анестезирующего средства. Кроме того, согласно данным Всемирного антидопингового агентства, ингаляции этого редкого газа имеют допинговый эффект, влияющий на физическое состояние применяющих его спортсменов. Заполнение ксеноном легких человека приводит к временному понижению тембра голоса, что является эффектом, обратным применению гелия.
При нагревании ксенон светится фиолетовым цветом
Если вам нравится данная статья, приглашаю вас присоединиться к нашему каналу на Яндекс.Дзен, где вы сможете найти еще больше полезной информации из мира популярной науки и техники.
Неон, светящийся при нагревании красноватым оттенком, получается из воздуха при его глубоком охлаждении. Из-за сравнительно небольшой концентрации этого инертного газа в атмосфере планеты, неон чаще всего получают в качестве побочного продукта при добыче аргона.
Радоновое озеро в селе Лопухинка Ленинградской области
Где применяются благородные газы?
Самыми применяемыми человеком инертными газами считаются аргон, гелий и неон, которые используются повсеместно от физики до медицины. Так, гелий используется при сварке металлов и в качестве хладоносителя при проведении лабораторных экспериментов. Неон и аргон часто применяются при изготовлении ламп накаливания и в металлургии, при изготовлении алюминиевых сплавов.
Благодаря своим уникальным свойствам, благородные газы нашли свое применение в разных отраслях науки
Остальные благородные газы чаще всего используются в медицине. Как уже упоминалось выше, радон находит свое применение в медицине, а ксенон и криптон используются в качестве наполнителя осветительных ламп.
Они довольно широко представлены во вселенной. По современным подсчетам космическая масса вселенной состоит на 76% из водорода, на 23% из гелия и только 1% приходится на другие элементы.
Водород и гелий ученые относят к элементам первичной материи вселенной. В атмосфере Земли благородных газов около одного процента. В основном это аргон. Их открытие — одна из увлекательнейших страниц истории науки.
Содержание инертных газов в природе:
- В космосе особенно много гелия, образующегося там из водорода в результате термоядерной реакции. После водорода, это самый распространенный элемент. На Земле гелий можно обнаружить в составе природных горючих газов.
- Неон присутствует в атмосфере и в земной коре — 0,00005 г/т.
- Аргон — это самый распространенный на планете инертный газ. (в земной коре его ничтожно мало, а в атмосфере почти один процент).
- Криптон, ксенон и радон обнаруживается в земной атмосфере и в отдельных минералах, содержащих уран.
- Радон относится к радиоактивным элементам, среди всех он один из самых тяжелых, он определяет степень естественной радиоактивности воздуха.
Первым из этих элементов был открыт гелий. В 1868 году его обнаружили в солнечном спектре. В Парижской академии газ назвали гелий или «солнечный». Британский химик Уильям Рамзай открыл гелий и на Земле, но уже после того, как был открыт аргон.
В 1892 году в Лондоне химик Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) опубликовывает обращение к ученым в журнале «Природа». Он обнаружил, что азот, полученный из воздуха, имеет больший вес, чем азот, полученный химическим путем. Как объяснить это явление — задал Рэлей вопрос своим коллегам?
Рамзай высказал предположение: в азоте воздуха содержится неизвестный газ. Два года совместных исследований привели к сенсационным результатам. Был открыт новый газ, он оказался инертным. Он стал называться аргон — «медленный» или «неактивный».
Физические свойства
Менделеев открытие аргона расценивал как испытание периодического закона. Ведь если аргон существует, то он должен стоять на месте калия, однако это противоречило бы закону периодической повторяемости свойств элементов.
Испытание было выдержано с успехом. Открытие гелия на Земле позволило предположить наличие отдельной группы. Из-за инертности газов их выделили в нулевую группу. Рамзай был непоколебимым сторонником периодического закона Менделеева и, опираясь на него, предсказал, а потом уже открыл неон, криптон и ксенон.
Радон был обнаружен в 1900 году, как результат распада радиоактивного радия. Сам он также подвергался дальнейшему распаду. Превращаемость элементов, стала доказанным фактом и новые открытия, обусловленные развитием техники.
Инертные газы имеют следующие физические свойства:
- они не обладают ни цветом, ни запахом;
- их с трудом можно обратить в жидкое состояние;
- с возрастанием поляризуемости молекул от гелия к радону, повышается их способность растворяться в воде;
- они могут легко растворяться в органических растворителях, например, спирте или бензине;
- они способны адсорбироваться на поверхности активированного угля при низких температурах, что дает возможность проводить их очистку и разделение;
- у гелия очень высока способность проникать в другие химические элементы, он может просачиваться сквозь стенки различных сосудов (стеклянных, пластмассовых и некоторых металлических).
При помощи масс-спектрографа у всех инертных газов обнаружены изотопы. В природе у гелия наименьшее количество стабильных изотопов — 2, у ксенона — наибольшее 9. У радона стабильных изотопов не обнаружено.
Строение атомов
Причина инертности благородных газов в строении атомов. Исследования показали, что у них максимально заполненные энергетические уровни. Гелий обозначается как 1s 2 элемент. Он имеет самую прочную структуру атома среди всех химических элементов.
Остальные благородные газы — это p элементы. Электронное строение атома определяет многие свойства этих газов. Их молекулы одноатомные. У них низкая энергия сродства к электрону.
Завершенность внешнего энергетического уровня обусловливает диамагнитность благородных газов. Высокие потенциалы ионизации, также прямое следствие замкнутости и устойчивости электронных оболочек атомов.
С ростом порядкового номера элемента его потенциал ионизации уменьшается. При сравнении видно, что начиная с криптона, у инертных газов ионизационный потенциал уже ниже, чем у кислорода и фтора. Это обусловливает возможность взаимодействия этих элементов.
Опровержение теории химической инертности
По плотности они делятся на легкие: гелий и неон и тяжелые — все остальные. Гелий самый легкий газ в природе, он легче воздуха в 7 раз. Аргон открывает группу тяжелых газов. Жидкий аргон тяжелее не только воздуха, но и воды.
С увеличением поляризуемости от гелия к радону, увеличиваются радиусы атомов, а также возрастает растворимость в воде и абсорбируемость. Газообразный гелий с трудом можно собрать в закрытый сосуд. Аргон, по сравнению с гелием, уже более вязкий. Его можно перелить из сосуда в сосуд. С увеличением атомной массы и радиуса атома у газов уменьшается теплопроводность, повышается температура кипения. Кроме того, увеличивается возможность деформации внешних электронных слоёв, а значит создается предпосылка химической связи.
Для сжижения благородных газов нужны сверхнизкие температуры, особенно для гелия. У жидкого гелия обнаружено уникальное свойство — сверхтекучесть.
Это подтверждается простым опытом. Если погрузить пробирку в сосуд с жидким гелием, то жидкость будет ползти вверх по наружной стенке пробирки и опускаться по внутренней. Если пробирку приподнять, то гелий начинает двигаться в обратную сторону, выравнивая уровни. Когда пробирку вынимают, то гелий продолжает стекать по ней и капать вниз.
Это свойство у гелия открыл советский физик, академик Петр Леонидович Капица. В 1962 году канадский химик Нил Бартлетт, наконец, опроверг теорию химической инертности благородных газов. Ему удалось в процессе гетерогенного катализа синтезировать соединение ксенона с гексафторидом платины (Xe+PtF6=Xe (PtF6)x).
Событие это было также сенсационно, как заявление Рамзая об инертности аргона. Это позволило инертным газам покинуть нулевую группу. Инертные газы в таблице Менделеева справедливо заняли свое место в восьмой группе.
Правда, еще до открытия Бартлетта были получены клатратные соединения тяжелых инертных газов. При относительно высоких давлениях молекулы газов, в этом случае криптона, плотно окружаются молекулами гидрохинона и включаются в них.
В клатратных соединениях связь молекулярная, валентные электроны в них не взаимодействуют. Клатраты нестойкие соединения, в растворах они быстро распадаются на составные части. Их можно использовать как удобные формы для хранения благородных газов.
Фториды и оксиды ксенона
После работ Бартлетта, следующим шагом стали явились опыты по непосредственному соединению ксенона с фтором. Из смеси одного объема ксенона, варьируя условия реакции, получают фториды с различной степенью окисления ксенона. Самый устойчивый из них — тетрафторид ксенона.
Фториды ксенона довольно летучие вещества. Хранят их в тефлоновых сосудах. Они хорошие окислители и фторирующие агенты. Фториды ксенона подвержены гидролизу. В результате реакции образуются оксофториды или оксиды. Триоксид ксенона в сухом виде легко взрывается. Сила взрыва такая же, как у тротила.
Оксиды обладают кислотными свойствами. При взаимодействии с основаниями образуют соли. Триоксид образует ксенаты. Реакция диспропорционирования ксенатов приводит к образованию перксенатов. Ксенаты являются солями ксенонистой кислоты, а перксенаты — ксеноновой. Ксеноновая кислота, в свою очередь, является производной тетраоксида ксенона.
Оксиды ксенона, так же как и фториды, являются сильными окислителями. При реакции с йодом калия образуется йод и ксенон. Кристаллы дифторида ксенона можно получить, если смесь газов в кварцевой ампуле подвергнуть ультрафиолетовому облучению. Его можно получить также при помощи электрического разряда.
Химия инертных газов — это прежде всего химия ксенона. Это синтезированные и комплексные соединения фторидов, полученные катионные и анионные формы комплексов.
Получение и использование аргона
В промышленности благородные газы получили широкое применение. Наиболее доступный из них — аргон. Его получают из воздуха методом двойной ректификации при низких температурах. Воздух очищают от углекислоты и влаги, сжижают с помощью глубокого холода и подают в ректификационную колонну.
Сравнительно легко выделяют азот, а вот с кислородом труднее. Температура кипения его и аргона близки. Способом двойной ректификации кислород отделяется, и сырой аргон поступает в блок тонкой адсорбционной очистки.
Адсорбция идет на синтетических цеолитах, так называемых молекулярных ситах. Благодаря этому методу аргон получается очень чистым, практически без примеси.
Основная область применения аргона — металлургическая и металлообрабатывающая промышленность. Аргонодуговая сварка очень высокопроизводительна и обеспечивает хорошее качество шва.
Другой способ получения аргона, а также криптона и ксенона основан на методе адсорбции из отходящих газов при синтезе аммиака.
Использование в промышленности гелия и радона
Гелий получают из природных газов, которые предварительно очищаются от примесей и влаги.
Сухой газ, проходя несколько этапов, охлаждается до такой температуры, когда все его компоненты конденсируются в жидкость, лишь гелий остается газообразным. Через верхнюю часть разделительного аппарата он выводится наружу. Налажено производство и жидкого гелия. Он играет большую роль в современной физике и криогенной технике.
В газообразном виде легкий и инертный гелий — идеальный наполнитель для дирижаблей. Благодаря налаженному промышленному получению гелия, идея дирижаблестроения в стране возрождается.
Находят применение и радиоактивные изотопы благородных газов. Радиоизотопы ксенон-133 используется для исследования спинного мозга и кровотока головного мозга. Прибор, регистрирующий радиоактивность, определяет локализацию изотопа ксенона и помогает ставить правильный диагноз.
Радон — радиоактивный газ, он дочерний элемент изотопа радия-226. Используя хорошую растворимость радона в воде, медицина поставила его на службу человека. Растворенный радон диффундирует через кожу и оказывает благотворительное воздействие на центральную нервную систему, а через нее и на другие органы человека. Поэтому широко распространено лечение радоновыми ваннами.
В геологии изотопом аргон-40 определяют абсолютный возраст горных пород по методу советского ученого Герлинга. В основе метода лежит процесс распада радиоактивного изотопа калия-40 с образованием основного изотопа аргона-40.
В электровакуумной промышленности используют свойство инертных газов светиться, если через них пропускать электрический разряд. Промышленность выпускает очень широкий ассортимент газоразрядных источников света.
На основе изучения благородных газов складывался ряд фундаментальных научных законов. Все отчетливее выявляется их значение в познании Земли и космоса.
Каждый период Периодической системы заканчивается инертным газом, кроме гелия, все они имеют на внешнем энергетическом уровне по 8 электронов, образующих очень устойчивую систему, в связи с чем эти элементы получили название инертных. Несмотря на то, что электронная оболочка гелия состоит из двух электронов, она также очень устойчива. В связи с этим явлением атомы инертных газов обладают высокими значениями энергий ионизации и, как правило, отрицательными значениями энергии сродства к электрону.
Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня инертных газов – 1s 2 (He) и ns 2 np 6 для других инертных газов.
Изначально предполагали, что атомы инертных газов не способны к образованию химических связей с другими элементами. Были известны лишь несколько нестойких соединений благородных газов – гидраты аргона, криптона и ксенона (Ar×6H2O, Kr×6H2O, Xe×6H2O), которые получались при действии инертных газов на кристаллизующуюся переохлажденную воду.
Позже, было установлено, что Kr, Xe и Rn вступают в реакции взаимодействия с другими веществами, например, с фтором, при нагревании или электрическом разряде. Для ксенона известны оксид – XeO3 и гидроксид- Xe(OH)6.
Наибольшее практическое применение среди всех благородных газов находят аргон, неон и гелий.
Гелий
По физическим свойствам гелий наиболее близок к молекулярному водороду. В связи с малой поляризуемостью атома гелия, у него самые низкие температуры кипения и плавления, по сравнению с другими элементами VIIIA группы. Однако, он хуже, чем другие инертные газы растворим в воде.
В обычных условиях гелий химически инертен, но в возбужденном состоянии он способен образовывать неустойчивые молекулярные ионы He2 + или ионизированные молекулы HeH + .
Гелий получают из некоторых природных газов методом глубокого охлаждения, при этом гелий остается в газообразном состоянии, в то время как другие газы конденсируются.
Гелий нашел применение в атомной энергетике, при автогенной сварке металлов, в физических лабораториях в качестве хладоносителя. Изотоп гелия 3 He – единственное вещество, пригодное для измерения температур ниже 1К.
Неон. Аргон
Основное отличие неона от гелия – большая поляризуемость атома, склонность к образованию межмолекулярных связей, несколько большая растворимость и способность адсорбироваться.
Агрон, как и неон, имеет 8 электронов на внешнем энергетическом уровне и, вследствие высокой устойчивости электронной структуры атома неона, он не способен к образованию соединений валентного типа. Аргон образует молекулярные соединения включения – клатраты – с водой, фенолом, толуолом и другими веществами. С сединениями H2S, SO2, CO2, HCl аргон дает двойные гидраты, т.е. смешанные клатраты.
Неон и аргон получают из воздуха путем его разделения при глубоком охлаждении. Аргон, в связи с его сравнительно высоким содержанием в воздухе, получают в значительных количествах, неон – в меньших.
Неон и аргон применяют в качестве наполнителей ламп накаливания, газосветных трубок (для неона характерно красное свечение, для аргона – сине-голубое). Аргон, как наиболее доступный из инертных газов, используют в металлургии, в частности при аргонно-дуговой сварке алюминиевых и алюминиевомагниевых сплавов.
Подгруппа криптона
Энергия ионизации элементов подгруппы криптона (Kr, Xe, Rn) характеризуются меньшими значениями энергии ионизации, чем типические элементы VIIIA группы, поэтому могут образовывать соединения обычного типа. Так, ксенон может проявлять степени окисления «+2», «+4», «+6», «+8».
Криптон применяют в электровакуумной технике, в смеси с ксеноном его используют в качестве наполнителя для различного вида осветительных ламп и трубок. Радиоактивный радон используют в медицине.
Примеры решения задач
| Задание | При взаимодействии сульфата марганца с фторидом ксенона (II) в водном растворе выделилось 4,8 л газа (при температуре 20 °С и нормальном атмосферном давлении). Чему равна масса образовавшейся марганцовой кислоты? |
| Решение | Запишем уравнение реакции: |
Найдем количество вещества ксенона:
v(Хе) = РV/ RТ= 101,3 . 4,8 / (8,31 . 293) = 0,20 моль
Согласно уравнению, количество марганцовой кислоты в 2,5 раза меньше количества ксенона:
Инертные газы — группа элементов в таблице Менделеева, 
обладающих однотипными свойствами. Все эти вещества — одноатомные газы, с большим трудом взаимодействующие с другими веществами. Это объясняется тем, что их внешние атомные оболочки полностью «укомплектованы» (кроме гелия) восемью электронами и являются энергетически стабильными. Эти газы еще называют благородными или редкими. В группу входят: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радиоактивный радон. Некоторые исследователи сюда же относят и новый элемент оганессон. Впрочем, он еще мало изучен, а теоретический анализ структуры атома предсказывает высокую вероятность того, что этот элемент будет твердым, а не газообразным.
На нашей планете благородные газы преимущественно содержатся в воздухе, но они есть в небольших количествах в воде, горных породах, природных газах и нефти.
Много гелия в космическом пространстве, это второй по распространенности элемент после водорода. В Солнце его почти 10%. Судя по имеющимся данным, благородных газов много в атмосферах крупных планет Солнечной системы.
Все газы, кроме гелия и радона, добывают из сжиженного воздуха фракционным разделением. Гелий получают как сопутствующий продукт при добыче природного газа.
Свойства
Газы без цвета, запаха и вкуса. Они всегда есть в атмосферном воздухе, но их невозможно увидеть или почувствовать. Плохо растворяются в воде. Не горят и не поддерживают горение. Плохо проводят тепло. Хорошо проводят ток и при этом светятся. Практически не реагируют с металлами, кислородом, кислотами, щелочами, органическими веществами. Химическая активность растет по мере увеличения атомной массы.
Гелий и неон вступают в реакции только при определенных, как правило, очень сложных условиях; для ксенона, криптона и радона удалось создать достаточно «мягкие» условия, при которых они реагируют, например, со фтором. В настоящее время химики получили несколько сотен соединений ксенона, криптона, радона: оксиды, кислоты, соли. Большая часть соединений ксенона и криптона получают из их фторидов. Скажем, чтобы получить ксенонат калия, сначала растворяют фторид ксенона в воде. К полученной кислоте добавляют гидроокись калия и тогда уже получают искомую соль ксенона. Аналогично получают ксенонаты бария и натрия.
Инертные газы не ядовиты, но способны вытеснять кислород из воздуха, понижая его концентрацию до смертельно низкого уровня.
Смеси тяжелых благородных газов с кислородом оказывают на человека наркотическое воздействие, поэтому при работе с ними следует использовать средства защиты и строго следить за составом воздуха в помещении.
Хранят газы в баллонах, вдали от источников пламени и горючих материалов, в хорошо проветриваемых помещениях. При транспортировке баллоны следует хорошо укрепить, чтобы они не бились друг о друга.
Применение
- В газовой и газово-дуговой сварке в металлургии, строительстве, автостроении, машиностроении, коммунальной сфере и пр. Для получения сверхчистых металлов.
- Нерадиоактивные благородные газы применяются в цветных газоразрядных трубках, часто используемых в уличных вывесках и рекламе, а также в лампах дневного света и лампах для загара.
Гелий
- Жидкий гелий — самая холодная жидкость на планете
(кипит при +4,2 °К), востребована для исследований при сверхнизких температурах, для создания эффекта сверхпроводимости в электромагнитах, например, ядерных ускорителей, аппаратов МРТ (магнитно-резонансной томографии). - Гелий-газ применяют в смесях для дыхания в аквалангах. Он не вызывает наркотического отравления на больших глубинах и кессонной болезни при подъеме на поверхность.
- Так как он значительно легче воздуха, им заполняют дирижабли, воздушные шары, зонды. К тому же он не горит и гораздо безопаснее ранее использовавшегося водорода.
- Гелий отличается высокой проницаемостью — на этом свойстве основаны приборы поиска течи в системах, работающих при низком или высоком давлении.
- Смесь гелия с кислородом применяется в медицине для лечения болезней органов дыхания.
13 результате успешного освоения материала этой главы студент должен:
- • строение электронных оболочек атомов благородных газов как причину их низкой химической активности;
- • важнейшие соединения благородных газов (фториды ксенона, криптона и радона, триоксиды ксенона и радона, перксенаты);
• составлять уравнения реакций с участием благородных газов;
• представлениями об областях применения благородных газов.
Общие свойства элементов 18-й группы
Элементы 18-й группы — гелий Не, неон Ne, аргон Лг, криптон Кг, ксенон Хе и радон Rn — объединяют под общим названием благородные газы. В этом названии нашла отражение их чрезвычайно низкая химическая активность. Тем не менее другое название: инертные газы в наше время считается устаревшим, потому что для благородных газов, находящихся в конце группы, получены химические соединения с наиболее электроотрицательными элементами.
Распространение в природе. На Земле все благородные газы, за исключением радона, сосредоточены в основном в атмосфере, где они присутствуют в виде свободных атомов. Наибольшим является содержание аргона, составляющее почти 1% объема воздуха. Содержание остальных благородных газов позволяет отнести их к редким элементам. Радон образуется в результате радиоактивного распада радия и в ничтожных концентрациях содержится в урановых рудах, а также в минеральных водах, так называемых радоновых источников. Гелий накапливается в природном горючем газе. Он получается в процессе радиоактивного распада урана и других радиоактивных элементов земной коры. По распространенности в звездах и межзвездном веществе гелий занимает второе место после водорода, так как он образуется из водорода в первичной реакции ядерного синтеза. На Земле гелий мало распространен потому, что земная сила тяготения недостаточна для удержания его в атмосфере.
Получение. Аргон и все другие благородные газы, кроме гелия и радона, получают при ректификации жидкого воздуха.
Гелий извлекают из горючих природных газов путем их сжижения при охлаждении. Гелий при этом остается в газо-
Читайте также: