11.1: Елементи групи 18 - благородні гази

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18084

Andrew R. Barron
Rice University via CNX

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

Стихії

Елементи групи 18 мають особливу назву благородні гази. Благородний газ перекладається з німецького іменника Едельгас, вперше використаний в 1898 році Уго Ердманном (1862 - 1910) для позначення їх надзвичайно низького рівня реактивності. Благородні гази часто також називали інертними газами, однак, оскільки сполуки благородних газів тепер відомі, ця назва більше не використовується. У таблиці\(\PageIndex{1}\) наведено виведення назв благородних газів.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Виведення назв кожного з 18 (VIII) елементів групи.
Елемент	Символ	Ім'я
Гелій	Він	Грецький геліос означає Сонце
Неонові	Ne	З грецького значення нового
Аргон	Ар	З грецького значення неактивний
Криптон	Кр	З грецького kryptos означає прихований
Xenon	Xe	Від грецького xenos], що означає іноземець, незнайомець або гість
Радон	Rn	Від його радіоактивної природи

Діскавері

Гелій

Першим свідченням гелію стало спостереження астронома П'єра Янссена (рис.\(\PageIndex{1}\)) 18 серпня 1868 року як яскраво-жовтої лінії з довжиною хвилі 587,49 нм в спектрі хромосфери Сонця. 20 жовтня того ж року англійський астроном Норман Локер (рис.\(\PageIndex{2}\)) спостерігав жовту лінію в сонячному спектрі, яку він назвав лінією D3 Fraunhofer, оскільки вона знаходилася поблизу відомих ліній натрію D1 і D2. Він зробив висновок, що це було викликано невідомою на Землі стихією в Сонці. Локер і Едвард Франкланд (рис.\(\PageIndex{3}\)) назвали стихію грецьким словом, що позначає Сонце, геліос.

Ілюстрація\(\PageIndex{1}\): Портрет французького астронома П'єра Жюля Сезара Янссена (1824 - 1907).

Ілюстрація\(\PageIndex{2}\): Англійський вчений і астроном сер Джозеф Норман Локєр, ФРС (1836 - 1920).

Ілюстрація\(\PageIndex{3}\): Англійський хімік сер Едвард Франкленд, KCB, FRS (1825 - 1899).

26 березня 1895 року британський хімік сер Вільям Рамзі (рис.\(\PageIndex{4}\)) виділив гелій на Землі шляхом обробки мінерального клевейта (радіоактивного мінералу, що містить уран і знайденого в Норвегії) мінеральними кислотами.

Ілюстрація\(\PageIndex{4}\): Шотландський хімік сер Вільям Рамсей, KCB FRSE (1852 - 1916).

Неонові

Неон був відкритий в 1898 році сером Вільямом Рамзі (рис.\(\PageIndex{4}\)) і Моррісом Траверсом (рис.\(\PageIndex{5}\)). Коли Рамзі охолодив пробу повітря, поки він не став рідиною, потім нагрівав рідину і захоплював гази, коли вони википали. Після азоту, кисню та аргону три гази, які википали, були криптоном, ксеноном та неоном.

Ілюстрація\(\PageIndex{5}\): Англійський хімік і директор-засновник Індійського інституту науки Морріс Вільям Траверс (1872 - 1961).

Аргон

У 1785 році Генрі Кавендіш (рис.\(\PageIndex{6}\)) підозрював, що аргон присутній у повітрі, але він не був ізольований до 1894 року лордом Релеєм (рис.\(\PageIndex{7}\)) та сером Вільямом Рамзі (рис.\(\PageIndex{4}\)) в експерименті, в якому вони видалили весь кисень, вуглекислий газ, воду та азот із зразка чисте повітря.

Ілюстрація\(\PageIndex{6}\): Британський вчений Генрі Кавендіш ФРС (1731 - 1810).

Ілюстрація\(\PageIndex{7}\): Англійський фізик Джон Вільям Струтт, ^3-й барон Релі, ОМ (1842 - 1919).

Криптон

Криптон був відкритий в 1898 році сером Вільямом Рамсей (рис.\(\PageIndex{4}\)) і Моррісом Траверсом (рис.\(\PageIndex{5}\)) в залишку, що залишився від випаровування майже всіх компонентів рідкого повітря.

Примітка

У 1960 році міжнародна угода визначила метр (м) з точки зору довжини хвилі світла, випромінюваного ізотопом ⁸⁶ Кр (довжина хвилі 605,78 нм). Ця угода замінила стандартний лічильник, розташований в Парижі, який представляв собою металевий пруток, виготовлений зі сплаву Pt-Ir, і сам був замінений визначенням, заснованим на швидкості світла, фундаментальної фізичної константи. У жовтні 1983 року Бюро International des Poids et Mesures визначило метр як відстань, яку світло рухається у вакуумі протягом ^1/299 _792,458 с.

Xenon

Ксенон був відкритий Вільямом Рамсей (рис.\(\PageIndex{4}\)) і Моррісом Траверсом (рис.\(\PageIndex{5}\)) 12 липня 1898 року, незабаром після відкриття ними криптону і неону.

Радон

Радон був п'ятим радіоактивним елементом, який був відкритий після урану, торію, радію та полонію. Виявлений у 1900 році Фрідріхом Дорном (рис.\(\PageIndex{8}\)) після того, як він помітив, що сполуки радію випромінюють радіоактивний газ, який він назвав еманацією радію (Ra Em). До цих експериментів в 1899 році П'єр і Марія Кюрі (рис.\(\PageIndex{9}\)) спостерігали, що газ, що виділяється радієм, залишався радіоактивним протягом місяця. Пізніше того ж року Ернест Резерфорд (рис.\(\PageIndex{10}\)) помітив варіації при спробі виміряти радіацію оксиду торію. У 1901 році він продемонстрував, що еманації радіоактивні, але зарахував Кюрі за відкриття стихії.

Ілюстрація\(\PageIndex{8}\): Німецький фізик Фрідріх Ернст Дорн (1848 - 1916).

Ілюстрація\(\PageIndex{9}\): П'єр (1859 - 1906) та Марія Склодовська-Кюрі (1867 - 1934) у своїй паризькій лабораторії.

Ілюстрація\(\PageIndex{10}\): Британсько-новозеландський хімік і фізик ^Ернест Резерфорд, 1-й барон Резерфорд Нельсон, ОМ, ФРС (1871 - 1937).

достаток

Велика кількість благородних газів наведено в табл\(\PageIndex{2}\).

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Велика кількість елементів групи 18.
Елемент	Наземне достаток (проміле)
Він	8 x 10 ^-3 (земна кора), 4 х 10 ⁶ (морська вода), 5 (атмосфера)
Ne	70 х 10 ^-3 (земна кора), 0,2 (морська вода), 18 (атмосфера)
Ар	1.2 (земна кора), 0,45 (морська вода), 0,93 х 10 ⁴ (атмосфера)
Кр	10 х 10 ^-6 (земна кора), 80 х 10 ^-6 (морська вода), 1 (атмосфера)
Xe	2 х 10 ^-6 (земна кора), 100 х 10 ^-6 (морська вода), 90 х 10 ^-3 (атмосфера)

Ізотопи

Природно рясні ізотопи елементів групи 18 наведені в табл\(\PageIndex{3}\). Всі ізотопи радону радіоактивні.

Таблиця\(\PageIndex{3}\): Велика кількість несинтетичних ізотопів групи 18 елементів.
Ізотоп	Природний достаток (%)
Гелій-3	0.000137
Гелій-4	99.999863
Неон-20	90.48
Неон-21	0,27
Неон-22	9.25
Аргон-36	0,337
Аргон-86	0.063
Аргон-40	99.600
Криптон-78	0,35
Криптон-80	2.25
Криптон-81	слід
Криптон-82	11.6
Криптон-83	11.5
Криптон-84	57
Криптон-86	17.3
Ксенон-124	0.095
Ксенон-126	0.089
Ксенон-128	1.91
Ксенон-129	26.4
Ксенон-130	4.07
Ксенон-131	21.2
Ксенон-132	26.9
Ксенон-134	10.4
Ксенон-136	8.86
Радон-222	слід

На відміну від більшості елементів, ізотопна велика кількість гелію сильно варіюється за походженням, через різні процеси формування. Найпоширеніший ізотоп, ^{4 He}, виробляється на Землі при розпаді більш важких радіоактивних елементів. Він також утворився у величезних кількостях під час Великого вибуху.

Природно зустрічається ⁴⁰ К з періодом напіврозпаду 1,25 × 10 ⁹ років, розпадається до стабільних ⁴⁰ Ar (11,2%) шляхом захоплення електронів і позитронної емісії, а також до стабільних ⁴⁰ Ca (88.8%) за допомогою бета-розпаду. Ці властивості і співвідношення використовуються для визначення віку гірських порід.

З періодом напіврозпаду 230 000 років ⁸¹ Кр використовується для датування 50 000 - 800 000 річних підземних вод. ⁸⁵ Кр - інертний радіоактивний благородний газ з періодом напіврозпаду 10,76 років. Його виробляють при випробуваннях ядерних бомб і ядерних реакторах. ⁸⁵ Кр виділяється при переробці паливних стрижнів з ядерних реакторів.

Промислове виробництво елементів

Гелій видобувається шляхом фракційної дистиляції з природного газу, який містить до 7% гелію. Оскільки гелій має нижчу температуру кипіння, ніж будь-який інший елемент, низька температура і високий тиск використовуються для зрідження майже всіх інших газів. Отриманий газ гелію очищається шляхом послідовного впливу знижуючих температур. Завершальний етап очищення активованим вугіллям призводить до отримання 99,995% чистого гелію класу А.

Аргон виробляється промисловим шляхом фракційної перегонки рідкого повітря - процесу, який відокремлює рідкий азот, який кипить при 77,3 К, від аргону, який кипить при 87,3 К і кисню, який кипить при 90,2 К. Ксенон отримують комерційно як побічний продукт поділу повітря на кисень і азот.

Фізичні властивості

Фізичні властивості елементів групи 18 наведені в табл\(\PageIndex{4}\).

Таблиця\(\PageIndex{4}\): Вибрані фізичні властивості елементів групи 18.
Елемент	Мп (°C)	Ап (°C)
Він	-272.20	-268.93
Ne	-248.59	-246.08
Ар	-189.35	-185,85
Кр	-157.36	-153.22
Xe	-111.7	-108.12
Rn	-71.15	-61.85

Всі благородні гази показують характерні спектральні лінії (рис.\(\PageIndex{11}\) — Рис.\(\PageIndex{15}\)).

Малюнок\(\PageIndex{11}\): Спектральні лінії гелію.

Малюнок\(\PageIndex{12}\): Спектральні лінії неону.

Малюнок\(\PageIndex{13}\): Спектральні лінії аргону.

Малюнок\(\PageIndex{14}\): Спектральні лінії криптону.

Малюнок\(\PageIndex{15}\): Спектральні лінії ксенону.

Сполуки групи 18 елементів.

Утворювалося лише кілька сотень сполук благородних газів. Нейтральні сполуки гелію і неону не утворилися, тоді як ксенон, криптон і аргон показали лише незначну реакційну здатність. Реактивність слідує порядку:

Ксенонові сполуки є найчисленнішими з сполук благородних газів. Стан окислення +2, +4, +6 та +8 з електронегативними елементами, наприклад, xEF ₂, xEF ₄, xEF ₆, xEO ₄ та Na ₄ xEO ₆. Також спостерігалися сполуки ксенону, пов'язані з бором, воднем, бромом, йодом, берилієм, сіркою, титаном, міддю та сріблом, але лише при низьких температурах у матрицях благородних газів або в надзвукових струменях благородних газів.

Хоча радон більш реактивний, ніж ксенон, він повинен утворювати хімічні зв'язки легше, ніж ксенон, однак через високу радіоактивність і короткий період напіврозпаду ізотопів радону утворилося лише кілька фторидів і оксидів радону.

Криптон менш реактивний, ніж ксенон, а ступені окислення, як правило, обмежені +2, KrF ₂. Сполуки, в яких криптон утворює зв'язок з азотом і киснем, стабільні лише нижче -60° C і -90° C відповідно. Атоми криптону хімічно пов'язані з іншими неметалами (водень, хлор, вуглець), а також деякими пізніми перехідними металами (мідь, срібло, золото), але тільки при низьких температурах в матрицях благородних газів або в надзвукових струменях благородних газів. Подібні умови використовувалися для отримання перших сполук аргону.

Благородні гази також утворюють нековалентні сполуки, наприклад клатрати, які складаються з атома, захопленого всередині порожнин кристалічних решіток органічних і неорганічних сполук. Благородні гази можуть утворювати ендоедричні сполуки фулерену, в яких атом благородного газу затримується всередині молекули фулерену (рис.\(\PageIndex{16}\)).

Малюнок\(\PageIndex{16}\): Скелетна структура He @C ₆₀.

Бібліографія

Полінг Л., Дж. Хім. Соц. , 1933, 55, 1895.
Сондерс, Х.А. Хіменес-Васкес, Р.Дж. Хрест, і Р.Дж. Пореда, Наука, 1993, 259, 1428.