Благородні гази

                                                        План.

1.     Історія відкриття благородних газів.

2.     Фізичні властивості.

3.     Хімічні властивості.

4.      Застосування благородних газів.

5.     Дія на організм людини.

1. Історія відкриття благородних газів.

Благородні гази (інертні, рідкісні) — хімічні елементи головної підгрупи восьмої групи періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва: Гелій (Не), Неон (Ne), Аргон (Аr), Криптон (Kr), Ксенон (Хе), Радон (Rn). Раніше їх називали інертними газами за хімічну інертність елементів підгрупи. На основі цього їх розміщали в окремій «нульовій» групі періодичної системи. Але така назва проіснувала тільки до початку 60-х років ХХ ст., коли канадським хіміком Н. Бартлеттом вперше було синтезовано сполуку ксенону з PtF₆ складу ХеРtF₆. Благородні гази були відкриті у 1892–1908 рр. Гелій вперше виявлено на Сонці методом спектрального аналізу (1868). Благородні гази постійно присутні у повітрі, незначна кількість наявна в бурових і мінеральних водах, підземних газах.

За своїми властивостями вони не схожі ні на які інші елементи і в періодичній системі розташовуються між типовими металами і неметалами.

Історія відкриття благородних газів представляє великий інтерес: по-перше, як тріумф введених Ломоносовим кількісних методів хімії (відкриття аргону), а по-друге, як тріумф теоретичного передбачення (відкриття інших благородних газів), що спирається на найбільше узагальнення хімії - періодичний закон Менделєєва.

Відкриття фізиком Релеєм і хіміком Рамзаєм першого благородного газу - аргону - сталося в той час, коли побудова періодичної системи здавалася завершеною і в ній залишалася лише декілька порожніх клітин.

Ще 1785 року англійський хімік і фізик Г. Кавендиш виявив в повітрі якийсь новий газ, незвичайно стійкий хімічно. На долю цього газу доводилася приблизно одна сто двадцята частина об'єму повітря. Але що це за газ, Кавендишу з'ясувати не вдалося.

Про цей досвід згадали через 107 років, коли Джон Уильям Стратт (лорд Релей) натрапив на ту ж домішку, помітивши, що азот повітря важчий, ніж азот, виділений із з’єднань. Не знайшовши достовірного пояснення аномалії, Релей через журнал "Nature" звернувся до колег-дослідників природи з пропозицією разом подумати і попрацювати над розгадкою її причин..

Через два роки Релей і У. Рамзай встановили, що в азоті повітря дійсно є домішка невідомого газу, важчого, ніж азот, і украй інертного хімічно.

Повітря, за допомогою розжареної міді був позбавлений свого кисню і потім нагрітий з шматочками магнію в трубочці. Після того, як значна кількість азоту була поглинена магнієм, була визначена щільність залишку.

Щільність виявилася в 15 разів більше щільності водню, тоді як щільність азоту тільки в 14 разів більше за неї. Ця щільність зростала ще у міру подальшого поглинання азоту, поки не досягла 18.

Так було доведено, що повітря містить газ, щільність якого більше щільності азоту. Отримали 100 см³ цієї речовини з щільністю рівної 19,9. Воно виявилося одноатомним газом.

Коли вони виступили з публічним повідомленням про своє відкриття, це справило приголомшуюче враження. Багато чим здавалося неймовірним, щоб декілька поколінь учених, що виконали тисячі аналізів повітря, прогледіли його складову частину, та ще таку помітну - майже відсоток! До речі, саме цього дня і година, 13 серпня 1894 року, аргон і отримав своє ім'я, яке в перекладі з грецького означає "недіяльний".

Гелій уперше був ідентифікований як хімічний елемент в 1868р.

 П. Жансеном при вивченні сонячного затемнення в Індії. При спектральному аналізі сонячної хромосфери була виявлена яскраво-жовта лінія, спочатку віднесена до спектру натрію, проте в 1871р. Дж.Локьер і П. Жансен довели, що ця лінія не відноситься ні до одного з відомих на землі елементів. Локьер і Е.Франкленд назвали новий елемент гелієм від греч. "гелиос", що означає сонце.

У той час не знали, що гелій - інертний газ, і припускали, що це метал. І тільки опісля майже чверть століття гелій був виявлений на землі. У 1895, через декілька місяців після відкриття аргону, У. Рамзай і майже одночасно шведські хіміки П. Клюванні і Н. Ленгле встановили, що гелій виділяється при нагріванні мінералу клевеїту.

Рік потому Г. Кейзер виявив домішку гелію в атмосфері, а в 1906 гелій був виявлений у складі природного газу нафтових свердловин Канзасу. У тому ж році Е. Резерфорд і Т. Ройдс встановили, що a -частинки, що випускаються радіоактивними елементами, є ядра гелію.

Після цього відкриття Рамзай дійшов висновку, що існує ціла група хімічних елементів, яка розташовується в періодичній системі між лужними металами і галогенами. Користуючись періодичним законом і методом Менделєєва, було визначено кількість невідомих благородних газів і їх властивості, зокрема їх атомні маси. Це дозволило здійснити і цілеспрямовані пошуки благородних газів.

Рамзай і його співробітники у пошуках інертних газів зайнялися мінералами, природними водами, навіть метеоритами. Проте, усе було безрезультатне, аналізи незмінно виявлялися негативними. Між тим - новий газ в них був, але використовувані методи, не були досить чутливими і ці "мікросліди" не уловлювалися. Почавши досліджувати повітря, всього за чотири наступні роки було відкрито чотири нові елементи, а такі гази, як неон, криптон і ксенон були навіть виділені з повітря. Для цього, повітря, очищене заздалегідь від вуглекислоти і вологи, зріджували, а потім починали повільно випаровувати. При цій процедурі легші гази випаровуються і випари, що залишилися потім, важкі інертні гази розсортовують. Отримані фракції піддавалися різним дослідженням.

Розглянемо спектральний аналіз, як один з методів визначення :

Це нескладна процедура дозволяє безпомилково ідентифікувати інертні газу по лініях спектру. Для цього газ поміщається в розрядну трубку, до якої підключений струм. Коли в розрядну трубку помістили першу, найлегшу і низькокиплячу фракцію повітря, то в спектрі разом з відомими лініями азоту, гелію і аргону були виявлені нові лінії, з них особливо яскравими були червоні і помаранчеві. Вони надавали світлу в трубці вогняне забарвлення.    Цікава історія назви цього газу :

Коли Рамзай спостерігав, в черговому досвіді, спектр тільки що отриманого газу, до лабораторії увійшов його дванадцятирічний син, що встиг стати "прихильником" батькових робіт. Побачивши незвичайне світіння, він вигукнув: "new one"!, що по-древнегречески означає "новий".

Так виникла назва газу "неон". Знайти інертні гази, що завершують четвертий, п'ятий і шостий періоди таблиці Менделєєва вдалося не відразу, хоча після того, як були відкриті гелій, неон і аргон, що завершують три перші періоди таблиці Менделєєва, в їх існуванні сумнівів не було.

Але на той час навчилися отримувати значні кількості рідкого повітря, в багато завдяки старанням англійської вченої Траверси.

Став доступний навіть рідкий водень. І Рамзай спільно з Траверсом змогли зайнятися дослідженням найбільш важко летучої  фракції повітря, відгону гелію, водню, неону, кисню, азоту і аргону, що виходить потім.

Залишок взяв сирий (неочищений) криптон. І після відкачування його в посудині незмінно залишалася бульбашка газу. Цей газ давав своєрідний спектр з лініями в областях від помаранчевої до фіолетової і мав блакитнувате світіння в електричному розряді. Як відомо, по спектральних лініях можна безпомилково ідентифікувати елемент. І У Рамзая і Траверси були усі підстави вважати, що відкритий новий інертний газ.

Він дістав назву - ксенон, що в перекладі з грецького означає "чужий". Адже дійсно, в криптоновій фракції повітря він виглядав чужаком.

У пошуках нового елементу і для вивчення його властивостей Рамзай і Траверс переробили близько ста тонн рідкого повітря. Вміст ксенону в атмосфері украй мало, але саме повітря - практично єдине і невичерпне джерело ксенону (майже увесь ксенон повертається в атмосферу).

Індивідуальність ксенону як нового хімічного елементу встановили, оперуючи всього 0,2 см3 цього газу.

Рамзаю так само належить заслуга відкриття вищого представника інертних газів. Використовуючи тонкі технічні прийоми, він довів, що радіоактивне витікання з радію - еманація радію - є газ, що підкоряється усім законам звичайних газів, хімічно інертний і такий, що має характерний спектр. Рамзай виміряв швидкість дифузії, що дозволило встановити молекулярну вагу газу, що становить приблизно 220:

Виходячи з припущення, що ядро атома еманації радію - це залишок ядра радію після викидання з нього ядра атома гелію (a -частинки), то виходить, що заряд його має дорівнювати 88-2=86. Таким чином, новий елемент має дійсно бути інертним газом. А його атомна вага 226-4=222. Офіційно було вирішено включити в періодичну систему нову групу хімічних елементів 16 березня 1900 року, після зустрічі Рамзая з Менделєєвим.

2. Фізичні властивості благородних газів.

Інертні гази не мають кольору і запаху. І є одноатомними. Інертні гази вважаються благородними.

    Благородні гази знаходяться у головній підгрупі VIII групи Періодичної системи, тобто закінчують кожен період системи елементів. У зовнішньому електронному шарі всі благородні гази, крім гелію, мають по 8 електронів (ns²np⁶), утворюючи дуже стійку систему. Так само стійкою є електронна оболонка Гелію, яка складається з двох електронів (1s²). Тому атоми благородних газів характеризуються високими значеннями енергій іонізації (від 24,59 еВ для Не до 10,75 еВ у Rn) і негативними значеннями енергій спорідненості до електрону. Їх молекули одноатомні, характеризуються досить малою поляризованістю, хімічно благородні.

Благородні гази – безбарвні, газоподібні за кімнатної температури речовини, з дуже низькими температурами плавлення і кипіння, які є тим нижчими, чим меншою є атомна маса (порядковий номер) інертного газу: найнижча температура зрідження у гелію (–268,9оС), найвища – у радону (–61,9 оС). Всі ці гази погано розчиняються у воді (при 20 оС у 1 л води розчиняється 8,8 мл гелію, 10,4 мл неону, 33,6 м аргону).  

Благородні гази мають порівняно високу електропровідність і при електричному розряді світяться: гелій – жовтим, неон – червоним, аргон – синім, криптон – зеленкувато-синім, ксенон – фіолетовим, радон – яскраво-білим світлом.Інертні гази мають нижчі точки зріджування і замерзання, в порівнянні з іншими газами з тією ж молекулярною вагою. Це відбувається із-за насиченого характеру атомних молекул інертних газів.

3. Хімічні властивості благородних газів.

Інертні (благородні) гази мають дуже малу хімічну активність, що пояснюється жорсткою восьмиелектронною конфігурацією зовнішнього електронного шару. Як відомо із збільшенням числа електронних шарів поляризуємість атомів росте. Отже, вона повинна збільшуватися при переході від гелію до  радону.         

Довгий час вчені взагалі не знаходили умов, при яких благородні гази могли б вступати в хімічну взаємодію, крім кристалогідратів (наприклад, Ar•6H₂О, Kr•6H₂O, Xe•6H₂O), які утворюються при дії стиснутих благородних газів на переохолоджену воду, що кристалізується. Ці гідрати належать до типу клатратів (структур включення), при утворенні таких сполук не виникають валентні зв’язки. Утворенню клатратів з водою сприяє наявність численних порожнин у структурі льоду. відомі також досить стійкі клатрати з фенолом та гідрохіноном. Гелій і неон не утворюють клатратів, оскільки їхні атоми мають дуже малі розміри.                                           Благородні гази не могли  утворювати істинні хімічні сполуки. Їх валентність дорівнювала нулю. І нову групу хіміки вирішили вважати нульовою.

Але 1924 року висловилася ідея, що деякі з'єднання важких інертних газів (зокрема, фториди і хлориди ксенону) термодинамічно цілком стабільні і можуть існувати за звичайних умов. У теорії, при вивченні електронної структури оболонок криптону і ксенону з позицій квантової механіки, виходило, що ці гази в змозі утворювати стійкі з'єднання з фтором.

Але йшов час, а на практиці усі експерименти в цій області закінчувалися невдачею. Фторид ксенону не виходив. Поступово дійшли висновку, що це не можливо і досліди припинилися.

У 1962 р. Г.Ш. Бартлетт отримав хімічну сполуку Xe[PtF₆] – гексафтороплатинат ксенону, а згодом інші подібні сполуки Xe[PtF₆]₂, Xe[RuF₆], Xe[RhF₆] i Xe[PuF₆]. З цього часу починається бурхливий розвиток хімії ксенону. Відомі також деякі хімічні сполуки з криптону (KrF₂, KrF₂ . 2SbF₅). Гелій, неон та аргон хімічних сполук не утворюють взагалі. Для криптону і ксенону відомі сполуки з фтором, де Kr i Xe виявляють ступінь окиснення +2. Фториди цих благородних газів добувають з простих речовин при нагріванні:

Xe + F₂ = XeF₂.

Це досить стійкі, безбарвні тверді речовини. Температура плавлення XeF₂ дорівнює 140 оС. Відомі також інші фториди ксенону – XeF₄ (утворюється при нагріванні ксенону з фтором при атмосферному тиску, Тплав. = 135 оС) та XeF₆ (утворюється при надлишку фтору та тиску 6МПа, Тплав. = 49 ^оС). Всі фториди ксенону гідролізують у воді за реакцією диспропорціонування:

Добуто також фториди KrF₄, RnF₄ та дифтороксид XeOF₂. Це тверді, леткі речовини, досить стійкі при кімнатній температурі. Сполуки благородних газів у ступені окиснення +4 є досить сильними окисниками:

Pt0 + Xe+4F₄ + 2HF = H₂[Pt+4F₆] + Xe0;

Відомі сполуки Ксенону (VI): гексафторид XeF₆, оксид ксенону (VI) XeO₃, тетрафтороксид XeOF₄, дифтордіоксид XeO₂F₂ та гідроксид

ксенону (VI) Xe(OH)₆. Сполуку XeOF₄ добувають гідролізом XeF₆ при дії вологого повітря:

XeF₆ + Н₂O = XeOF₄ + 2HF.

При подальшому гідролізі утворюється оксид XeO₃:

XeOF₄ + 2Н₂O = XeO₃ + 4HF.

Оксид ксенону (VI), XeO₃ – це тверда речовина, що при кімнатній температурі поступово розкладається на вільний ксенон і кисень, а при нагріванні вибухає. XeO₃ є кислотним оксидом, добре розчиняється у воді:

XeO₃ + Н₂О Û H₂XeO₄ Û H + + HXeO₄ –

При взаємодії оксиду або гідроксиду ксенону (VI) з лугами утворюються солі ксенонової кислоти – ксенати:

XeO₃ + Ba(OH)₂ = BaXeO₄ + H₂O;

Xe(OH)₆ + 3Ba(OH)₂ = Ba₃XeO₆ + 6H₂O.

При дії ж сильніших окисників (озон у лужному середовищі) сполуки Ксенону (VI)переходять у похідні Ксенону (VIII) – перксенати:

XeO₃ + 4NaOH + O₃ = Na₄XeO₆ + O₂ + 2H₂O.

Іон XeO₄^2–– найсильніший з усіх відомих окисників. Добуто й інші сполуки Ксенону (VIII): октафторид XeF₈, тетраоксид XeO₄ i гексафтроксид XeOF₆. XeO₄ можна добути дією на перксенат безводної сульфатної кислоти:

Ba₂XeO₆ + 2H₂SO4 = 2BaSO₄ + XeO₄ + 2H₂O.

Cполука XeO4 нестійка і поступово розкладається на Xe, XeO₃ i О₂. Сполуки Ксенону і Криптону іноді застосовують як окисники і фторувальні агенти в різних реакціях.  На сьогодні вдалося встановити, що радон також взаємодіє з фтором, утворюючи нелеткі фториди.

Виділені і вивчені дифторид KrF₂ і тетрафторид для криптону KrF₄ за властивостями, що нагадують з'єднання ксенону.

4.  Застосування благородних газів.

Гелій - джерело низьких температур. Рідкий гелій використовується при вивченні багатьох явищ, наприклад, надпровідність в твердому стані. Тепловий рух атомів і вільних електронів в твердих тілах практично відсутній при температурі рідкого гелію. Крім того, рідкий гелій вигідний для охолодження магнітних надпровідників, прискорювачів часток і інших пристроїв. Досить незвичайним застосуванням гелію як холодоагенту, являється процес безперервного змішення 3He і 4He, для створення і підтримки температур нижче 0,005 K

Газоподібний гелій використовують як легкий газ для наповнення повітряних куль. Оскільки він не горючий, його використовують для заповнення повітряних куль і дирижаблів.

  

Гелій використовують як інертне середовище для дугового зварювання, особливо магнію і його сплавів, при отриманні Si, Ge, Ti і Zr, для охолодження ядерних реакторів.

Інші застосування гелію - для газового мастила підшипників, в лічильниках нейтронів (гелій- 3), газових термометрах, рентгенівській спектроскопії, для зберігання їжі, в перемикачах високої напруги. У суміші з іншими благородними газами гелій використовується в зовнішній неоновій рекламі (у газорозрядних трубках). Великі кількості гелію застосовують в дихальних сумішах для робіт під тиском, оскільки гелій гірше розчинимо в крові, ніж азот. Наприклад при морських зануреннях, при створенні підводних тунелів і споруд. При використанні гелію, виділення розчиненого газу з крові, декомпресія, у водолаза протікає менш хворобливо, менш вірогідна кесонна хвороба, Повністю виключено таке явище, як азотний наркоз, - постійний і небезпечний супутник роботи водолаза.

Суміші гелію з киснем застосовують, завдяки їх низькій в'язкості, для зняття нападів астми і для лікування різних захворюваннях дихальних шляхів.

Аргон широко застосовується на виробництві. Дуже зручне дугове електрозварювання в середовищі аргону, оскільки в аргоновому струмені можна зварювати тонкостінні вироби і метали, які раніше вважалися важко зварюваними . Вважається, що електрична дуга в аргоновій атмосфері внесла переворот в техніку різання металів. Процес набагато прискорився, з'явилася можливість різати товсті листи самих тугоплавких металів.

Продуванням аргону через рідку сталь з неї видаляють газові включення. Це покращує властивості металу. Аргон (у суміші з воднем), що продувається уздовж стовпа дуги, оберігає кромки розрізу і вольфрамовий електрод від утворення окисних, нітридних і інших плівок. Одночасно він стискує і концентрує дугу на малій поверхні, чому температура в зоні різання досягає 4000-6000° С.

Крім того газовий струмінь видуває продукти різання.

А при зварюванні в аргоновому струмені немає потреби у флюсах і електродних покриттях, а отже, і в зачистці шва від шлаку і залишків флюсу.

Застосування ксенону, частенько засновано на його здатності вступати в реакцію з фтором.

У медицині ксенон набув поширення при рентгеноскопічних обстеженнях головного мозку. Що застосовується при просвічуванні кишечника (ксенон сильно поглинає рентгенівське випромінювання і допомагає знайти місця поразки). При цьому він абсолютно нешкідливий.

А активний ізотоп ксенону, ксенон - 133, використовують при дослідженні функціональної діяльності легенів і серця.  Наприкінці ХХ століття розроблено метод застосування ксенону для наркозу та знеболювання. 

У світлотехніці широко використовуються ксенонові лампи високого тиску. Принцип дії заснований на тому, що в таких лампах світить дуговий розряд в ксеноні, що знаходиться під тиском в декілька десятків атмосфер.

Світло в таких лампах яскраве і має безперервний спектр – від ультрафіолетового до ближньої області інфрачервоного, і з'являється він відразу після включення.

Криптон використовується в якості заповнювача простору між склом у склопакетах для надання їм підвищених теплофізичних та звукоізоляційних властивостей. Фториди криптону запропоновані в якості окиснювачів ракетного палива. В електротехніці для виробництва потужних ексимерних лазерів (Kr-F).

Радон як радіоактивний елемент застосовують в еманометрах (прилади, що використовують геологи для дослідження та відкриття радіоактивних руд). Динаміка концентрації радону в підземних водах може застосовуватися для прогнозу землетрусів. Радон застосовують у медицині (радонові ванни).

5. Дія на організм людини.

Було б природно вважати, що благородні гази не повинні впливати на живі організми, тому як інертні хімічно. Проте це не зовсім так. У суміші з киснем вдихання вищих інертних газів приводить людину в стан, схожий з алкогольним сп’янінням. Така наркотична дія інертних газів обумовлюється розчиненням їх в нервових тканинах. І чим вище атомна вага інертного газу, тим вище його розчинність, і тим більшу наркотичну дію він здатний чинити.    Радон дуже токсичний, що пояснюється його радіоактивними властивостями. При розпаді утворює нелеткі радіоактивні продукти (ізотопи полонію, бісмуту та плюмбуму), які дуже важко виводяться з організму. Але Rn використовують у медичній практиці: води, до складу яких входить Rn (родонові ванни), застосовують для лікування серцево-судинної, нервової систем, органів дихання і травлення, кісток, суглобів і м’язів, гінекологічних захворювань, порушення обміну речовин тощо.