Інертні (благородні) гази — властивості, будова, застосування

До інертних (благородних) газів відносяться одноатомні гази, які майже не взаємодіють з іншими хімічними елементами. Для них характерні однотипні властивості, вони енергетично стабільні, а їх зовнішні атомні оболонки складаються з восьми електронів.

Інша назва газів – благородні або рідкісні. Інертні гази називають благородними через їх низьку хімічну активність.

Відкриття і список інертних (благородних) газів

Благородні гази належать до 18-ї групи хімічних елементів періодичної таблиці Менделєєва. Всього існує 6 елементів, які мають такі назви і формули:

• гелій (He);
• неон (Ne);
• аргон (Ar);
• криптон (Kr);
• ксенон (Xe);
• радіоактивний радон (Rn).

Вони досить широко представлені у Всесвіті. За сучасними підрахунками космічна маса Всесвіту складається на 76% з водню, на 23% з гелію і тільки 1% припадає на інші елементи.

Водень і гелій вчені відносять до елементів первинної матерії Всесвіту. В атмосфері Землі благородних газів близько одного відсотка. В основному це аргон. Їх відкриття – одна з найцікавіших сторінок історії науки.

Вміст інертних (благородних) газів в природі:

• У космосі особливо багато гелію, що утворюється там з водню в результаті термоядерної реакції. Після водню це найпоширеніший елемент. На Землі гелій можна виявити в складі природних горючих газів.
• Неон присутній в атмосфері і в земній корі – 0,00005 г/т.
• Аргон – це найпоширеніший на планеті інертний газ. У земній корі його мізерно мало, а в атмосфері майже один відсоток.
• Криптон, ксенон і радон знаходиться в земній атмосфері і в окремих мінералах, що містять уран.
  Радон належить до радіоактивних елементів, серед усіх він один з найважчих, він визначає ступінь природної радіоактивності повітря.

Першим з цих елементів був відкритий гелій. У 1868 році його виявили в сонячному спектрі. У Паризькій Академії газ назвали гелій або “сонячний”. Британський хімік Вільям Рамзай відкрив гелій і на Землі, але вже після того, як був відкритий аргон.

У 1892 році в Лондоні хімік Джон Вільям Стретт (лорд Релей) опубліковує звернення до вчених в журналі «Природа». Він виявив, що азот, отриманий з повітря, має більшу вагу, ніж азот, отриманий хімічним шляхом. Як пояснити це явище? Саме таке питання поставив Релей своїм колегам?

Рамзай висловив припущення: в азоті повітря міститься невідомий газ. Два роки спільних досліджень призвели до сенсаційних результатів. Був відкритий новий газ, він виявився інертним (благородним). Його назвали аргон – «повільний» або «неактивний».

Фізичні властивості

Менделєєв відкриття аргону розцінював як випробування періодичного закону. Адже якщо аргон існує, то він повинен стояти на місці калію, однак це суперечило б закону періодичної повторюваності властивостей елементів.

Випробування було витримано з успіхом. Відкриття гелію на Землі дозволило припустити наявність окремої групи. Через інертність газів їх виділили в нульову групу. Рамзай був непохитним прихильником періодичного закону Менделєєва і, спираючись на нього, передбачив, а потім вже відкрив неон, криптон і ксенон.

Радон був виявлений в 1900 році як результат розпаду радіоактивного радію. Сам він також піддавався подальшому розпаду.

Інертні (багородні) гази мають такі фізичні властивості:

• вони не володіють ні кольором, ні запахом;
• їх насилу можна звернути в рідкий стан;
• зі зростанням поляризації молекул від гелію до радону, підвищується їх здатність розчинятися у воді;
• вони можуть легко розчинятися в органічних розчинниках, наприклад, спирті або бензині;
• вони здатні адсорбуватися на поверхні активованого вугілля при низьких температурах, що дає можливість проводити їх очищення і поділ;
• у гелію дуже висока здатність проникати в інші хімічні елементи, він може просочуватися крізь стінки різних судин (скляних, пластмасових і деяких металевих).

За допомогою мас-спектрографа у всіх благородних газів виявлені ізотопи. У природі у гелію найменша кількість стабільних ізотопів — 2, у ксенону найбільша —  9. У радону стабільних ізотопів не виявлено.

Будова атомів

Причина інертності (благородності) благородних газів в будові атомів. Дослідження показали, що у них максимально заповнені енергетичні рівні. Гелій позначається як 1S2 елемент. Він має найміцнішу структуру атома серед усіх хімічних елементів.

Решта благородних газів – це p елементи. Електронна будова атома визначає багато властивостей цих газів. Їх молекули одноатомні. У них низька енергія спорідненості до електрона.

Завершеність зовнішнього енергетичного рівня обумовлює діамагнітність благородних газів. Високі потенціали іонізації є прямий наслідок замкнутості і стійкості електронних оболонок атомів.

З ростом порядкового номера елемента його потенціал іонізації зменшується. З порівняння видно, що починаючи з криптону, у благородних газів іонізаційний потенціал вже нижче, ніж у кисню і фтору. Це обумовлює можливість взаємодії цих елементів.

Спростування теорії хімічної інертності

За густиною вони діляться на:

• легкі — гелій і неон;
• важкі — всі інші.

Гелій найлегший газ в природі, він легше повітря в 7 разів. Аргон відкриває групу важких газів. Рідкий аргон важче не тільки повітря, але і води.

Зі збільшенням поляризації від гелію до радону, збільшуються радіуси атомів, а також зростає розчинність у воді і абсорбція. Газоподібний гелій насилу можна зібрати в закриту посудину. Аргон, в порівнянні з гелієм, вже більш в’язкий. Його можна перелити з посудини в посудину.

Зі збільшенням атомної маси і радіусу атома у газів зменшується теплопровідність, підвищується температура кипіння. Крім того, збільшується можливість деформації зовнішніх електронних шарів, а значить створюється передумова хімічного зв’язку.

Для зрідження благородних газів потрібні наднизькі температури, особливо для гелію. У рідкого гелію виявлено унікальну властивість – надтекучість.

Це підтверджується простим дослідом. Якщо занурити пробірку в посудину з рідким гелієм, то рідина буде повзти вгору по зовнішній стінці пробірки і опускатися по внутрішній. Якщо пробірку підняти, то гелій починає рухатися у зворотний бік. Коли пробірку виймають, то гелій продовжує стікати по ній і капати вниз.

Цю властивість гелію відкрив радянський фізик, академік Петро Леонідович Капіца. У 1962 році канадський хімік Ніл Бартлетт, нарешті, спростував теорію хімічної інертності благородних газів. Йому вдалося в процесі гетерогенного каталізу синтезувати з’єднання ксенону з гексафторидом платини (Xe+PtF₆=Xe(PtF₆)x).

Ця подія була такою ж сенсаційною, як і заява Рамзая про інертність аргону. Це дозволило благородним (інетрним) газам покинути нульову групу. Інертні гази в таблиці Менделєєва справедливо зайняли своє місце у восьмій групі.

Правда, ще до відкриття Бартлетта були отримані клатратні з’єднання важких інертних газів. При відносно високих тисках молекули газів, в цьому випадку Криптону, щільно оточуються молекулами гідрохінону і включаються в них.

У клатратних з’єднаннях зв’язок молекулярний, валентні електрони в них не взаємодіють. Клатрати нестійкі сполуки, в розчинах вони швидко розпадаються на складові частини. Їх можна використовувати як зручні форми для зберігання благородних газів.

Фториди та оксиди ксенону

Після робіт Бартлетта, наступним кроком стали з’являтися досліди по безпосередньому з’єднанню ксенону з фтором. З суміші одного об’єму ксенону, варіюючи умови реакції, отримують фториди з різним ступенем окислення ксенону. Найстійкіший з них – тетрафторид ксенону.

Фториди ксенону досить летючі речовини. Зберігають їх в тефлонових судинах. Вони хороші окислювачі і фторуючі агенти.

Фториди ксенону схильні до гідролізу. В результаті реакції утворюються оксофториди або оксиди. Триоксид ксенону в сухому вигляді легко вибухає. Сила вибуху така ж, як у тротилу.

Оксиди мають кислотні властивості. При взаємодії з основами вони утворюють солі. Триоксид утворює ксенати. Реакція диспропорціонування ксенатів призводить до утворення перксенатів. Ксенати є солями ксенонистої кислоти, а перксенати – ксенонової. Ксенонова кислота, своєю чергою, є похідною тетраоксиду ксенону.

Оксиди ксенону, так само як і фториди, є сильними окислювачами. При реакції з йодом калію утворюється йод і ксенон. Кристали дифториду ксенону можна отримати, якщо суміш газів у кварцовій ампулі піддати ультрафіолетовому опроміненню. Його можна отримати також за допомогою електричного розряду.

Хімія інертних (благородних) газів – це, перш за все, хімія ксенону. Це синтезовані і комплексні сполуки фторидів, отримані катіонні і аніонні форми комплексів.

Отримання та використання аргону

У промисловості благородні гази отримали широке застосування. Найбільш доступний з них – аргон. Його отримують з повітря методом подвійної ректифікації при низьких температурах. Повітря очищають від вуглекислоти і вологи, зріджують за допомогою глибокого холоду і подають в ректифікаційну колону.

Порівняно легко виділяють азот, а ось з киснем важче. Температура кипіння його і аргону близькі. Способом подвійної ректифікації кисень відділяється, і сирий аргон надходить в блок тонкого адсорбційного очищення.

Адсорбція йде на синтетичних цеолітах, так званих молекулярних ситах. Завдяки цьому методу аргон виходить дуже чистим, практично без домішок.

Основна область застосування аргону – металургійна і металообробна промисловість. Аргонодугове зварювання високопродуктивне і забезпечує хорошу якість шва.

Інший спосіб отримання аргону, а також криптону і ксенону заснований на методі адсорбції з газів, що відходять при синтезі аміаку.

Використання гелію і радону в промисловості

Гелій отримують з природних газів, які попередньо очищаються від домішок і вологи.

Сухий газ, проходячи кілька етапів, охолоджується до такої температури, коли всі його компоненти конденсуються в рідину, лише гелій залишається газоподібним. Через верхню частину розділового апарату він виводиться назовні. Налагоджено виробництво і рідкого гелію. Він відіграє велику роль у сучасній фізиці та кріогенній техніці.

У газоподібному вигляді легкий і інертний гелій – це ідеальний наповнювач для дирижаблів. Завдяки налагодженому промисловому отриманню гелію, ідея дирижаблебудування відроджується.

Знаходять застосування і радіоактивні ізотопи благородних газів. Радіоізотопи ксенон-133 використовується для дослідження спинного мозку і кровотоку головного мозку. Прилад, що реєструє радіоактивність, визначає локалізацію ізотопу ксенону і допомагає ставити правильний діагноз.

Радон – радіоактивний газ, він дочірній елемент ізотопу радію-226. Використовуючи хорошу розчинність радону у воді, медицина поставила його на службу людини. Розчинений радон дифундує через шкіру і надає благодійну дію на центральну нервову систему, а через неї і на інші органи людини. Тому лікування радоновими ваннами стало поширенним явищем.

У геології ізотопом аргон-40 визначають абсолютний вік гірських порід за методом радянського вченого Герлінга. В основі методу лежить процес розпаду радіоактивного ізотопу калію-40 з утворенням основного ізотопу аргону-40.

В електровакуумній промисловості використовують властивість благородних (інертних) газів світитися, якщо через них пропускати електричний розряд. Промисловість випускає дуже широкий асортимент газорозрядних джерел світла.

На основі вивчення благородних газів складався ряд фундаментальних наукових законів. З кожним роком все виразніше проявляється значення інетрних газів в пізнанні Землі і космосу.