Инертные гази: історія відкриття, властивості, застосування

1. Історія відкриття інертних газов.

До шляхетним газам ставляться гелій, неон, аргон, криптон, ксенон і радон. За властивостями не схожі на які інші елементи й у періодичної системі розташовуються між типовими металами і неметаллами.

Історія відкриття інертних газів представляє великий інтерес: по-перше, як тріумф введённых Ломоносовим кількісних методів химии (открытие аргону), а по-друге, як тріумф теоретичного передбачення (відкриття інших інертних газів), спирається на найбільше узагальнення хімії - періодичний закон Менделеева.

Відкриття фізиком Рэлеем і хіміком Рамзаем першого шляхетного газу — аргону — відбулося той час, коли побудова періодичної системи здавалося завершеним у ній залишалося лише кілька порожніх клеток.

Ще 1785 року англійський хімік і фізик Р. Кавендиш знайшов у повітрі якийсь новий газ, надзвичайно стійкий хімічно. Перед цього газу припадала приблизно одна сто двадцята частина обсягу повітря. Але що це за цей газ, Кавендишу з’ясувати не удалось.

Про це досвіді згадали 107 років, коли Джон Вільям Стратт (лорд Рэлей) натрапив ту домішка, помітивши, що азот повітря важче, ніж азот, виділений з сполук. Не знайшовши достовірного пояснення аномалії, Рэлей через журнал «Nature» звернувся безпосередньо до коллегам-естествоиспытателям з пропозицією разом й подумати попрацювати над розгадкою її причин…

Через двох років Рэлей і У. Рамзай встановили, що у азоті повітря справді є про домішка невідомого газу, тяжчого, ніж азот, і дуже інертного хімічно. «Повітря з допомогою раскалённой міді був не містить свого кисню і далі нагріте з шматочками магнію в трубочці. Коли значну кількість азоту було поглинуто на магній, було визначено щільність залишку. Щільність опинилася у 15 разів більше щільності водню, тоді як щільність азоту лише у 14 разів більше її. Ця щільність зростала ще принаймні подальшого поглинання азоту, доки досягла 18. Цим було доведено, що повітря містить газ, щільність якого більше щільності азоту… Я отримав 100 см³ цієї речовини і знайшов його щільність рівної 19,9. Вона виявилася одноатомным газом.» Коли вони виступили з публічним повідомленням про своє відкритті, це приголомшуюче враження. Багатьом здавалося неймовірним, щоб трохи поколінь учених, виконали тисячі аналізів повітря, прогледіли його складової частини, ще й таку помітну — майже відсоток! До речі, саме цей що і годину, 13 серпня 1894 року, аргон і зрештою отримав своє ім'я, що у перекладі із грецької отже «недеятельный».

Гелій уперше був в ідентифікований як хімічний елемент в 1868 П. Жансеном щодо сонячного затемнення таки в Індії. При спектральному аналізі сонячної хромосфери було виявлено яскраво-жовта лінія, спочатку віднесена до спектру натрію, однак у 1871 Дж. Локьер і П. Жансен довели, що цю лінію не належить до жодного з відомих землі елементів. Лок'єр і Э. Франкленд назвали новий елемент гелієм від грецьк. «гелиос», що означає сонце. Тоді було невідомо, що гелій — інертний газ, і припускали, що це метал. І лише через майже століття гелій виявили землі. У 1895, кілька місяців після відкриття аргону, У. Рамзай і майже одночасно шведські хіміки П. Клеве і Н. Ленгле встановили, що гелій виділяється при нагріванні мінералу клевеита. Рік тому Г. Кейзер виявив домішка гелію у атмосфері, а 1906 гелій було у складі газу нафтових свердловин Канзасу. У тому ж року Е. Резерфорд і Т. Ройдс встановили, що ?-частки, генеровані радіоактивними елементами, є ядра гелия.

Після цього відкриття Рамзай дійшов висновку, що є цілу групу хімічних елементів, що знаходиться в періодичної системі між лужними металами і галогенами. Користуючись періодичним законом і методом Менделєєва, було встановлено кількість невідомих шляхетних газів і їхні властивості, зокрема, їхнє атомні маси. Це дозволило б провести цілеспрямовані пошуки шляхетних газов.

Спочатку Рамзай і його працівники зайнялися мінералами, природними водами, навіть метеоритами. Результати аналізів незмінно виявлялися негативними. Між тем—теперь ми це знаем—новый газ яких був. Але методами, що існували наприкінці уже минулого століття, ці «мікросліди» не вловлювалися. Потім дослідники звернулися до воздуху.

Усього за чотири наступні роки було відкрито чотири нових елемента, у своїй неон, криптон і ксенон виділили з воздуха.

Повітря, очищений попередньо від вуглекислоти і вологи, сжижали, та був починали повільно випаровувати. Спочатку «летять» легші гази. Після випаровування основної маси повітря розподіляють решта важкі інертні гази. Потім, отримані фракції досліджували. Однією з методів пошуку був спектральний аналіз: газ поміщали в розрядну трубку, підключали струм і вказівки лініями спектра визначали «хто є кто».

Коли розрядну трубку помістили першу, саму легку і низкокипящую фракцію повітря, то спектрі поруч із відомими лініями азоту, гелію і аргону знайшли нові лінії, їх особливо яскравими були червоні і жовтогарячі. Вони надавали світу у трубці вогненну забарвлення. У час, коли Рамзай спостерігав спектр хіба що отриманого газу, до лабораторії ввійшов його дванадцятирічний син, встиг стати «болільником» отцовых робіт. Побачивши незвичне світіння, він вигукнув: «new one!» Так виникло назва газу «неон», по-давньогрецькому отже «новый».

Коли було відкрито гелій, неон і аргон, завершальні три перших періоду таблиці Менделєєва, не викликала, що четвертий, п’ятий і шостий періоди також мають закінчуватися інертним газом. Але відшукати їхні вдалося не відразу. І не дивно: один м3 повітря 9, 3 л аргону й лише 0, 08 мл ксенону. Але доти стараннями учених, передусім англійця Траверсу, з’явилася можливість отримувати значні кількості рідкого повітря. Став доступний навіть рідкий водень. Завдяки цьому Рамзай що з Траверсом зміг зайнятися дослідженням найбільш труднолетучей фракції повітря, получающейся після отгонки гелію, водню, неону, кисню, азоту та аргону. Залишок містив сирої (тобто неочищений) криптон («прихований»). Проте після відкачування їх у посудині незмінно залишався пляшечку газу. З цього газу блакитнувато світився в електричному розряді й чітко давав своєрідний спектр з лініями в західних областях від помаранчевої до фіолетовою. Характерні спектральні лінії — візитівка елемента. У Рамзая і Траверсу були підстави вважати, що відкритий новий інертний газ. Його назвали ксеноном, що у перекладі із грецької отже «чужій»: в криптоновой фракції повітря він справді виглядав чужаком. У пошуках нового елемента й у вивчення його властивостей Рамзай і Траверс переробили близько сотні тонн рідкого повітря; індивідуальність ксенону як нового хімічного елемента вони встановили, оперуючи всього 0,2 см³ цього газу. Надзвичайна на той час тонкість експерименту! Хоча зміст ксенону у атмосфері взагалі обмаль, саме повітря — практично єдиний і невичерпний джерело ксенону. Невичерпний — тому що майже весь ксенон повертається у атмосферу.

Заслуга відкриття вищого представника інертних газів належить до того ж Рамзаю. З допомогою дуже тонких технічних прийомів він довів, що радіоактивне витікання з радію — радон — є газ, підпорядкований всі закони звичайних газів, хімічно інертний і у якого характерним спектром. Його молекулярний вагу — близько 220 — був Рамзаем заміряний за швидкістю дифузії. Якщо припустити, що ядро атома еманації радію — це залишок ядра радію після викидання потім із нього ядра атома гелію — ?-частки, то заряд її має дорівнювати 88−2=86, тобто. новий елемент повинен справді бути інертним газом з атомним вагою 226−4=222.

Отже, після блискучих експериментів 16 березня 1900 р. у Лондоні відбулася зустріч Менделєєва і Рамзая, де було офіційно вирішено включити в періодичну систему нову групу хімічних элементов.

2. Фізичні властивості інертних газов.

Шляхетні гази — безколірні одноатомные газ без кольору та запаха.

Інертні гази мають вищої електропровідністю проти іншими газами і за проходженні крізь них струму яскраво світяться: гелій ярко-жёлтым світлом, оскільки у його порівняно простому спектрі подвійна жёлтая лінія переважає з усіх іншими; неон вогненно червоним світлом, оскільки найяскравіші його лінії лежать у червоною частини спектра.

Насичений характер атомних молекул інертних газів позначається на тому, що інертні гази мають нижчі точки скраплення і замерзання, ніж інші гази з тим самим молекулярным весом.

???Фізіологічне дію інертних газов.

Природно було б очікувати, що таке хімічно інертні речовини, як інертні гази, нічого не винні впливати і живі організми. Але тут інше. Вдихання вищих інертних газів (звісно в суміші з киснем) наводить людини у стан, схоже на сп’янінням алкоголем. Наркотичне дію інертних газів обумовлюється розчиненням в нервових тканинах. Що атомний вагу інертного газу, то більше вписувалося його розчинність і тим сильніше його наркотичне действие.

4. Хімічні властивості інертних газов.

Тривалий час не знаходили умов, у яких шляхетні гази міг би розпочинати хімічне взаємодія. Не утворювали істинних хімічних сполук. Інакше кажучи їх валентність дорівнювала нулю. Тож було вирішено нову групу хімічних елементів вважати нульової. Мала хімічна активність шляхетних газів пояснюється жорсткої восьмиэлектронной конфігурацією зовнішнього електронного шару. Поляризуемость атомів із збільшенням кількості електронних шарів. Отже, вона повинна переважно збільшуватися під час переходу від гелію до радону. У цьому напрямі повинна зростатиме і реакційна здатність шляхетних газов.

Так, вже у 1924 року висловлювалася ідея, деякі сполуки важких інертних газів (зокрема, фториди і хлориди ксенону) термодинамічно цілком стабільні й можуть існувати при умовах. Через шість років згадану ідею підтримали і розвинули відомі теоретики — Полінг і Оддо. Вивчення електронної структури оболонок криптона і ксенону з позицій квантової механіки призвело до висновку, що це гази може утворювати стійкі з'єднання з фтором. Знайшлися і експериментатори, вирішили перевірити гіпотезу, але йшло час, ставилися досліди, а фторид ксенону не виходив. Відтак всі роботи у цій галузі було припинено, і моя думка про абсолютної інертності шляхетних газів утвердилось окончательно.

Однак у 1961 року Бартлетт, співробітник однієї з університетів Канади, вивчаючи властивості гексафторида платини, сполуки активнішого, ніж сам фтор, встановив, потенціал іонізації у ксенону нижче, ніж в кисню (12, 13 та дванадцяти, 20 ев відповідно). Тим більше що кисень утворював з гексафторидом платини з'єднання складу O2PtF6… Бартлетт ставить досвід минулого і при кімнатної температурі з газового гексафторида платини і газоподібного ксенону отримує тверде жовтогарячо — жовте речовина — гексафторплатинат ксенону XePtF6, поведінка якого нічим не відрізняється від поведінки звичайних хімічних сполук. При нагріванні в вакуумі XePtF6 возгоняется без розкладання, у питній воді гидролизуется, виділяючи ксенон:

2XePtF6 + 6Н2О = 2Хе + О2 + 2PtО2 + 12HF.

Наступні роботи Бартлетта дозволив встановити, що ксенон залежно та умовами реакції утворює два з'єднання з гексафторидом платини: XePtF6 і Xe (PtF6) 2; при гідролізі їх виходять одні й самі кінцеві продукти. Переконавшись, що ксенон справді вступив у реакцію з гексафторидом платини, Бартлетт виступив із доповіддю й у 1962 року опублікував у журналі «Proceedings of the Chemical Society» статтю, присвячену зробленому їм відкриттю. Стаття викликала величезну зацікавленість, хоча багато хто хіміки сприйняли її з неприхованою недовірою. Але вже за три тижні експеримент Бартлетта повторила група американських дослідників на чолі з Черником в Аргоннской національної лабораторії. З іншого боку, вони вперше синтезували аналогічні сполуки ксенону з гексафторидами рутенію, родію і плутонію. То існували відкриті п’ять сполук ксенону: XePtF6, Xe (PtF6)2, XeRuF6, XeRhF6, XePuF6 — міф про абсолютної інертності шляхетних газів розвіяний і закладено початок хімії ксенону. Настав час перевірити правильність гіпотези про можливість прямого взаємодії ксенону з фтором.

Суміш газів (1 частина ксенону і п’яти частин фтору) помістили в нікелевий (оскільки нікель найбільш стійкий до дії фтору) посудину і нагріли під порівняно невеликим тиском. Згодом посудину швидко охолодили, а залишений у ньому газ відкачали і проаналізували. То справді був фтор. Весь ксенон прореагував! Розкрили посудину і знайшли у ньому безколірні кристали XeF4. Тетрафторид ксенону виявився цілком стійким з'єднанням, молекула його має форму квадрата з іонами фтору із чотирьох кутів і ксеноном у центрі. Тетрафторид ксенону фторирует ртуть:

ХеF4 + 2Hg = Хe + 2HgF2.

Платина теж фторируется цим речовиною, але розчиненим у фтористом водороде.

Цікаво в хімії ксенону те, що, змінюючи умови реакції, можна отримати роботу як XeF4, а й інші фториды—XeF2, XeF6.

Радянські хіміки У. М. Хуторецкий і У. А. Шпанский показали, що з синтезу дифторида ксенону не обов’язкові жорсткі умови. По запропонованому ними способу суміш ксенону і фтору (в молекулярному відношенні 1:1) подається у судину з нікелю чи нержавіючої стали, і за підвищенні тиску до 35 атм починається спонтанна реакция.

XeF2 — єдиний фторид ксенону, який виникає, не користуючись елементарним фтором. Він утворюється під час дії електричного розряду на суміш ксенону і четырехфтористого вуглецю. Можливий, звісно, і прямий синтез. Дуже чистий ХеF2 виходить, якщо суміш ксенону і фтору опромінити ультрафіолетом. Розчинність дифторида у питній воді невелика, проте розчин його — сильніший окислювач. Поступово він саморазлагается на ксенон, кисень і фтористий водень; особливо швидко розкладання іде у лужної середовищі. Дифторид має різкий специфічний запах. Великий теоретичний інтерес представляє метод синтезу дифторида ксенону, заснований на вплив на суміш газів ультрафіолетового проміння (довжина хвиль порядку 2500—3500 А). Випромінення викликає розщеплення молекул фтору на вільні атоми. У цьому полягає причина освіти дифторида: атомарний фтор надзвичайно активний. Для отримання XeF6 потрібні жорсткіші умови: 700° З повагою та 200 атм. За цих умов в суміші ксенону і фтору (ставлення від 1:4 до 1:20) практично весь ксенон перетворюється на XeF6. Гексафторид ксенону надзвичайно активний і розкладається з вибухом. Він легко реагуєте фторидами лужних металів (крім LiF):

XeF6 + RbF = RbXeF7,.

але за 50° З ця сіль разлагается:

2RbXeF7 = XeF6 + Rb2XeF8.

Повідомлялося також про синтез вищого фторида XeF8, стійкого лише за температурі нижчій за мінус 196° C.

Синтез перших сполук ксенону поставив перед хіміками питання про місце інертних газів у періодичної системі. Перш шляхетні гази були виділені окрему нульову групу, що цілком відповідало уявленню про їхнє валентності. Але, коли ксенон вступив у хімічну реакцію, коли став відомим його вищий фторид, у якому валентність ксенону дорівнює восьми (але це цілком узгоджується зі будовою його електронної оболонки), інертні гази вирішили в VIII групу. Нульова група перестала существовать.

Змусити ксенон розпочати реакцію й без участі фтору (чи для її сполук) поки що не. Усі відомі нині сполуки ксенону отримані з його фторидів. Ці речовини мають підвищену реакційної здатністю. Найкраще вивчено взаємодія фторидів ксенону із жовтою водою. Гідроліз ХеF4 у кислому середовищі веде до утворення окису ксенону ХеО3 — безбарвних, расплывающихся надворі кристалів. Молекула ХеО3 має структуру приплюснутою трикутною піраміди з атомом ксенону в вершині. Це з'єднання вкрай хитливо; за його розкладанні потужність вибуху наближається до потужності вибуху тротилу. Достатньо кількох сотень міліграмів ХеО3, щоб эксикатор рознесло в шматки. Ймовірно, що з часом трехокись ксенону використовуватимуть як вибухове речовина дробящего дії. Така вибухівка було б вельми зручне, оскільки всі продукти вибуховий реакції — гази. Поки ж використовуватиме цього трехокись ксенону занадто дороге — адже ксенону у атмосфері менше, ніж золота у морській воді, та інформаційний процес його виділення занадто трудомісткий. Нагадаємо, що з отримання 1 м³ ксенону потрібно переробити 11 млн. м3 повітря. Відповідна трехокиси нестійка кислота шестивалентного ксенону H6XeO6 утворюється внаслідок гідролізу XeF6 при 0° С:

XeF6 + 6H2О = 6HF + H6XeO6.

Якщо до продуктам цієї реакції швидко додати Ва (ОН)2, випадає білий аморфний осад Ва3ХеО6. При 125° З він розкладається на окис барію, ксенон і кисень. Отримано аналогічні соли—ксенонаты натрію і калію. При дії озону на розчин ХеО3 в одномолярном їдкому натре утворюється сіль вищої кислоти ксенону Na4ХеО6. Перксенонат натрію може бути виділений як безбарвного кристаллогидрата Na4XeO6 · 6Н2О. До освіти перксенонатов призводить і гідроліз XeF6 в гидроокисях натрію і калію. Якщо тверду сіль Na4XeO6 обробити розчином нітрату свинцю, срібла чи уранила, то виходять відповідні перксенонаты: PbXeO6 і (UO2) 2XeO6 жовтого кольору та Ag4XeO6 — чорного. Аналогічні солі дають калій, літій, цезій, кальций.

Окисел, відповідний вищої кислоті ксенону, отримують взаємодією Na4XeO6 з безводній охолодженою сірчаної кислотою. Це четырехокись ксенону ХеO4. У ньому, як й у октафториде, валентність ксенону дорівнює восьми. Тверда четырехокись за температури понад 0° З розкладається на ксенон і кисень, а газоподібна (при кімнатної температурі) — на трехокись ксенону, ксенон і кисень. Молекула ХеO4 має форму тетраедра з атомом ксенону у центрі. Залежно та умовами гідроліз гексафторида ксенону може бути двома шляхами; щодо одного разі виходить тетраоксифторид XeOF4, іншому — диоксифторид XeO2F2. Прямий синтез з елементів призводить до утворення оксифторида ХеОF2. Усе це безколірні тверді речовини, стійкі у звичайних условиях.

Дуже цікава вивчена недавно реакція дифторида ксенону з безводній НС1O4. У результаті реакції отримано нове з'єднання ксенону ХеСlO4 — надзвичайно потужний окислювач, мабуть, найбільша з всіх перхлоратов.

Синтезовано також сполуки ксенону, які містять кисню. Переважно це подвійні солі, продукти взаємодії фторидів ксенону з фторидами сурми, миш’яку, бору, танталу: XeF2 · SbF5, ХеF6 · AsF3, ХеF6 · ВF3 і ХеF2 · 2ТаF5. І, насамкінець, отримані речовини типу XeSbF6, стійкі при кімнатної температурі, і XeSiF6 — нестійкий комплекс.

У її розпорядженні хіміків існують незначні кількості радону, тим не мене встановили, що він також взаємодіє зі фтором, створюючи нелетючі фториди. Для криптона виділено і вивчені дифторид KrF2 і тетрафторид KrF4 як, що нагадує сполуки ксенона.

5. Застосування інертних газов.

Гелій є важливим джерелом низьких температур. При температурі рідкого гелію теплове рух атомів і вільних електронів твердих тілах практично немає, що дозволяє вивчати багато нових явища, наприклад надпровідність в твердому состоянии.

Газоподібний гелій використовують як легкий газ наповнення повітряних куль. Бо він негорюч, його додають до водню заповнення оболонки дирижабля.

Оскільки гелій гірше розчинний у крові, ніж азот, велику кількість гелію застосовують у дихальних сумішах для робіт під тиском, наприклад при морських погружениях, під час створення підводних тунелів та житлових споруд. З використанням гелію декомпресія (виділення розчиненої газу з крові) у водолаза протікає менш болісно, менш імовірна кесонна хвороба, виключається таке явище, як азотний наркоз, — постійний небезпечний супутник роботи водолаза. Суміші He-O2 застосовують, завдяки їхнім низькою в’язкості, зі зняттям нападів астми і різних захворюваннях дихальних путей.

Гелій використовують як інертну середу для дугового зварювання, особливо магнію та її сплавів, і при отриманні Si, Ge, Ti і Zr, для охолодження ядерних реакторов.

Інші застосування гелію — для газової мастила підшипників, в лічильниках нейтронів (гелій-3), газових термометрах, рентгенівської спектроскопії, для зберігання їжі, в перемикачах високої напруги. У суміші коїться з іншими благородними газами гелій використовують у зовнішньої неонової рекламі (в газорозрядних трубках). Рідкий гелій вигідний для охолодження магнітних надпровідників, прискорювачів частинок та інших пристроїв. Незвичним застосуванням гелію як хладагента є процес безперервного змішання 3He і 4He для створення й підтримки температур нижче 0,005 K.

Області застосування ксенону різноманітні й іноді несподівані. Людина використовує та її інертність та її чудесну здатність розпочинати реакцію з фтором. У светотехнике визнання отримали ксеноновые лампи високого тиску. У цих лампах світить дугового розряд в ксеноне, що перебуває під тиском кілька десятків атмосфер. Світло в ксеноновых лампах з’являється відразу після включення, він яскравий і має безперервний спектр — від ультрафіолетового до ближньої області інфрачервоного. Ксеноном користуються і медики — при рентгеноскопических опитуваннях мозку. Як це і баритовая каша, применяющаяся при просвічуванні кишечника, ксенон сильно поглинає рентгенівське випромінювання і допомагає знайти місця поразки. Заодно він цілком нешкідливий. Активний ізотоп елемента № 54, ксенон — 133, використовують для дослідження функціональної діяльності легень і сердца.

Продувкой аргону через рідку сталь з її видаляють газові включення. Це покращує властивості металла.

Усі ширше застосовується дуговая електрозварювання серед аргону. У аргонної струмені можна зварювати тонкостінні вироби і метали, що вважалися трудносвариваемыми. Не буде перебільшенням сказати, що електрична дуга в аргонної атмосфері внесла переворот в техніку різання металів. Процес набагато прискорився, з’явилася можливість різати товсті листи самих тугоплавких металів. Продуваемый вздовж стовпа дуги аргон (в суміші з воднем) охороняє крайки розтину і вольфрамовий електрод в освіті окисных, нітридних та інших плівок. Одночасно стискує і концентрує дугу на малої поверхні, чому температура у зоні різання сягає 4000—6000° З. До того ця вихід видуває продукти різання. При зварюванні в аргонної струмені немає потреби у флюсах і электродных покриттях, отже, й у зачистці шва від шлаку і залишків флюса.

Список використаної литературы.

1. Петров М. М., Михилев Л. А., Кукушкин Ю. Н. «Неорганічна химия».

2. Гузей К. С. Лекції із загальної химии".

3. Ахметов М. С. «Спільна й неорганічна химия».

4. Некрасов Б. В. «Підручник загальної химии».

5. Глінка Н.Л. «Загальна химия.

6. Ходаков Ю. В. «Спільна й неорганічна химия».