18.12: Виникнення, підготовка та властивості благородних газів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22554

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть властивості, приготування та використання благородних газів

Елементи групи 18 - благородні гази (гелій, неон, аргон, криптон, ксенон, радон). Вони отримали назву «благородні», оскільки вважалися нереактивними, оскільки вони заповнили валентні оболонки. У 1962 році доктор Ніл Бартлетт з Університету Британської Колумбії довів це припущення помилковим.

Ці елементи присутні в атмосфері в невеликих кількостях. Частина природного газу містить 1— 2% гелію за масою. Гелій виділяють з природного газу шляхом зрідження конденсованих компонентів, залишаючи в якості газу тільки гелій. Сполучені Штати мають більшу частину світового комерційного постачання цього елемента на своїх гелій-несучих газових родовищах. Аргон, неон, криптон і ксенон надходять від фракційної перегонки рідкого повітря. Радон надходить від інших радіоактивних елементів. Зовсім недавно було помічено, що цей радіоактивний газ присутній в дуже малих кількостях в грунтах і мінералах. Однак його накопичення в добре ізольованих, щільно закритих будинках становить небезпеку для здоров'я, насамперед рак легенів.

Точки кипіння і температури плавлення благородних газів надзвичайно низькі порівняно з іншими речовинами порівнянних атомних або молекулярних мас. Це пов'язано з тим, що присутні лише слабкі сили розсіювання Лондона, і ці сили можуть утримувати атоми разом лише тоді, коли молекулярний рух дуже незначний, як це відбувається при дуже низьких температурах. Гелій - єдина відома речовина, яка не твердне при охолодженні при нормальному тиску. Він залишається рідким близьким до абсолютного нуля (0,001 К) при звичайних тисках, але при підвищеному тиску твердне.

Гелій використовується для наповнення повітряних куль та легше, ніж повітряні судна, оскільки він не горить, що робить його безпечнішим у використанні, ніж водень. Гелій при високому тиску не є наркотичним засобом, як азот. Таким чином, суміші кисню і гелію важливі для дайверів, що працюють під високим тиском. Використання гелій-кисневої суміші дозволяє уникнути дезорієнтованого психічного стану, відомого як азотний наркоз, так зване захоплення глибокого. Гелій важливий як інертна атмосфера для плавлення та зварювання легко окислюваних металів і для багатьох хімічних процесів, чутливих до повітря.

Рідкий гелій (температура кипіння, 4,2 К) є важливим теплоносієм для досягнення низьких температур, необхідних для кріогенних досліджень, і це важливо для досягнення низьких температур, необхідних для отримання надпровідності в традиційних надпровідних матеріалах, що використовуються в потужних магнітах та інших пристроях. Ця охолоджуюча здатність необхідна для магнітів, що використовуються для магнітно-резонансної томографії, загальної медичної діагностичної процедури. Інший поширений теплоносій - рідкий азот (температура кипіння, 77 К), який значно дешевше.

Неон є складовою неонових ламп і вивісок. Пропускаючи електричну іскру через трубку, що містить неон, при низькому тиску генерує звичне червоне світіння неону. Змінити колір світла можна шляхом змішування парів аргону або ртуті з неоном або використовуючи скляні трубки спеціального кольору.

Аргон був корисний при виготовленні газонаповнених електричних лампочок, де його нижча теплопровідність і хімічна інертність зробили кращим азот для інгібування випаровування вольфрамової нитки і продовження терміну служби колби. Люмінесцентні лампи зазвичай містять суміш аргону і парів ртуті. Аргон є третім за кількістю газу в сухому повітрі.

Криптон-ксенонові спалахи використовуються для зйомки високошвидкісних фотографій. Електричний розряд через таку трубку дає дуже інтенсивне світло, яке триває всього\(\dfrac{1}{50,000}\) секунди. Криптон утворює дифторид, KrF ₂, який термічно нестійкий при кімнатній температурі.

Стабільні сполуки ксенону утворюються при реакції ксенону з фтором. Дифторид ксенону, XeF ₂, утворює після нагрівання надлишок газу ксенону газом фтору з подальшим охолодженням. Матеріал утворює безбарвні кристали, які стійкі при кімнатній температурі в сухій атмосфері. Тетрафторид ксенону XeF ₄, (рис.\(\PageIndex{1}\)) і гексафторид ксенону XeF ₆ готують аналогічним чином, зі стехіометричною кількістю фтору і надлишком фтору відповідно. Сполуки з киснем отримують шляхом заміни атомів фтору в ксенонових фторидах киснем.

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\): 2 жовтня 1962 року Аргонн оголосив про створення ксенону тетрафториду, першої простої сполуки ксенону, благородного газу, який широко вважається хімічно інертним. Творіння відкрило нову еру для вивчення хімічних зв'язків. (Громадське надбання; Аргоннська національна лабораторія)

Коли XeF ₆ вступає в реакцію з водою, виходить розчин xEO ₃ і ксенон залишається в 6+-окисленні:

\[\ce{XeF6}(s)+\ce{3H2O}(l)⟶\ce{XeO3}(aq)+\ce{6HF}(aq) \nonumber \]

Сухий твердий триоксид ксенону, xEO ₃, надзвичайно вибухонебезпечний - він мимовільно детонує. Як XeF ₆, так і xEO ₃ непропорційні в основному розчині, утворюючи ксенон, кисень і солі перксенат-іона\(\ce{XeO6^4-}\), в яких ксенон досягає максимальної швидкості окислення 8+.

Радон, очевидно, утворює RnF ₂ - докази цієї сполуки походять від радіохімічних методів трасування.

Нестійкі сполуки аргону утворюються при низьких температурах, але стабільні сполуки гелію і неону невідомі.

Резюме

Найбільш значуща властивість благородних газів (група 18) - їх бездіяльність. Вони зустрічаються в низьких концентраціях в атмосфері. Вони знаходять застосування як інертні атмосфери, неонові вивіски та як охолоджуючі рідини. Три найважчі благородні гази вступають в реакцію з фтором з утворенням фторидів. Фториди ксенону найкраще характеризуються як вихідні матеріали для кількох інших сполук благородних газів.

Глосарій

галогенід: сполука, що містить аніон елемента 17 групи у стані окислення 1− (фтор, F ⁻; хлорид, Cl ⁻; бромід, Br ⁻; і йодид, I ⁻)

інтергалогенні: з'єднання, утворене з двох або більше різних галогенів