Тәртіпсіз газ элементтері

Кіріспе

Төмен реакциялық қабілетті, газ тәрізді химиялық элементтер тобы.

Group of low reactive, gaseous chemical elements

|
! colspan=2 style="text align:left;" | ↓ Period
|
! 1
|
|
! 2
|
|
! 3
|
|
! 4
|
|
! 5
|
|
! 6
|

|
! 7
|
|
| colspan="2"|

Legend
primordial element element by radioactive decay Atomic number color: red=gas
|}

The noble gases (historically the inert gases, sometimes referred to as aerogens) are the naturally occurring members of group 18 of the periodic table: helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), and radon (Rn). Under standard conditions, these elements are odorless, colorless, monatomic gases with very low chemical reactivity and cryogenic boiling points. The noble gases' inertness, or tendency not to react with other chemical substances, results from their electron configuration: their outer shell of valence electrons is "full", giving them little tendency to participate in chemical reactions. Only a few hundred noble gas compounds are known to exist. For the same reason, noble gas atoms are small, and the only intermolecular force between them is the very weak London dispersion force, so their boiling points are all cryogenic, below
The inertness of noble gases makes them useful whenever chemical reactions are unwanted. For example, argon is used as a shielding gas in welding and as a filler gas in incandescent light bulbs. After the risks caused by the flammability of hydrogen became apparent in the Hindenburg disaster, hydrogen was replaced with helium in blimps and balloons. Helium and neon are also used as refrigerants due to their low boiling points. Industrial quantities of the noble gases, except for radon, are obtained by separating them from air using the methods of liquefaction of gases and fractional distillation. Helium is also a byproduct of the mining of natural gas. Radon is usually isolated from the radioactive decay of dissolved radium, thorium, or uranium compounds. The seventh member of group 18 is oganesson (Og), an unstable synthetic element whose chemistry is still uncertain because only five very short lived atoms (t1/2 = 0.69 ms) have ever been synthesized (as of lc=y however, due to relativistic effects, oganesson is predicted to be a solid under standard conditions and reactive enough not to qualify functionally as "noble". In the rest of this article, the term "noble gas" should be understood not to include oganesson unless it is specifically mentioned.

|
! colspan=2 style="text-align:left;" | ↓ Кезең
|
! 1
|
|
! 2
|
|
! 3
|
|
! 4
|
|
! 5
|
|
! 6
|

|
! 7
|
|
| colspan="2"|

Түсіндірме
алғашқы элемент радиоактивті ыдырау арқылы алынған элемент атомдық нөмір түсі: қызыл=газ
|}

Асыл газдар (тарихта инерт газдар, кейде аэрогендер деп те аталады) – периодтық жүйенің 18-тобының табиғатта кездесетін мүшелері: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) және радон (Rn). Стандартты жағдайларда бұл элементтер иіссіз, түссіз, моноатомдық газдар болып табылады, олардың химиялық реакцияға қабілеті өте төмен және криогенді қайнау температурасы бар. Асыл газдардың инерттілігі, яғни басқа химиялық заттармен реакцияға түспеуге бейімділігі, олардың электрондық конфигурациясымен байланысты: олардың сыртқы қабығындағы валентті электрондары "толы", сондықтан олар химиялық реакцияларға қатысуға аз бейім. Қазіргі таңдағыда, жүзден астам асыл газ қосылысы белгілі. Осы себепті асыл газ атомдары кішкентай, ал олардың арасындағы жалғыз молекулалық күш – өте әлсіз Лондон дисперсиялық күші, сондықтан олардың қайнау температурасы криогенді, төмен.

Асыл газдардың инерттілігі оларды химиялық реакциялар қажет болмаған жағдайларда пайдалы етеді. Мысалы, аргон дәнекерлеуде қорғаушы газ ретінде және шамдарда толтырушы газ ретінде қолданылады. Сутектің тұтанғыш болуынан туындаған қауіптер «Хинденбург» апатында айқын болғаннан кейін, дирижабльдер мен ауа шарларында сутек гелиймен алмастырылды. Гелий мен неон төмен қайнау температурасының арқасында салқындатқыштар ретінде де қолданылады. Радонды қоспағанда, асыл газдардың өнеркәсіптік көлемі газдарды сұйыту және фракциялық айыру әдістері арқылы ауадан бөліп алынады. Гелий табиғи газды өндірудің қосалқы өнімі болып табылады. Радон әдетте радий, торий немесе уран қосылыстарының радиоактивті ыдырауынан бөліп алынады. 18-топтың жетінші мүшесі – оганесон (Og), химиясы әлі толық зерттелмеген тұрақсыз синтетикалық элемент, өйткені қазірге дейін бес ғана өте қысқа өмір сүретін атом (t1/2 = 0,69 мс) синтезделген (lc=y ескеріледі, бірақ релятивистік эффектілерге байланысты оганесон стандартты жағдайларда қатты күйде болады және реакцияға қабілетті, сондықтан функционалды түрде «асыл газ» деп қарастырылмайды). Осы мақаланың қалған бөлігінде «асыл газ» термині, егер нақты айтылмаса, оганесонды қамтымайды деп түсінілуі керек.

Тарих

Асыл газ – бұл 1900 жылы Хьюго Эрдманн алғаш рет қолданған немісше Edelgas сөзінен аударылған, олардың өте төмен реактивтілігін көрсету үшін. Атауы да реактивтілігі төмен "асыл металдар" терминімен сабақтас. Асыл газдар инертті газдар деп те аталады, бірақ бұл термин қазір қолданылмайды, себебі көптеген асыл газ қосылыстары белгілі. "Сирек газдар" – тағы бір қолданылған термин, бірақ бұл да дәл емес, өйткені радиоактивті калийдің ыдырауынан аргон Жер атмосферасының едәуір бөлігін құрайды (көлем бойынша 0,94%, масса бойынша 1,3%). Пьер Жансен мен Джозеф Норман Локкьер 1868 жылдың 18 тамызында Күннің хромосферасын қарап отырып, жаңа элементті ашты және оны Күннің грекше атауы – ἥλιος (hḗlios) бойынша гелий деп атады. Ол кезде химиялық талдау жүргізу мүмкін болмады, бірақ кейін гелийдің асыл газ екені анықталды. Олардан бұрын, 1784 жылы ағылшын химигі және физигі Генри Кавендиш ауада азоттан гөрі реакцияға аз түсетін зат бар екенін анықтаған болатын. Бір ғасыр өткен соң, 1895 жылы Лорд Рейли ауадағы азоттың, химиялық реакциялар нәтижесінде алынған азоттан тығыздығы ерекше екенін анықтады. Шотландиялық ғалым Уильям Рамзимен бірге Лондон университетінің колледжінде Лорд Рейли ауадан алынған азоттың басқа газбен қосылғанын болжады, нәтижесінде жаңа элемент – аргон (грекше ἀργός (argós, "белсенді емес" немесе "тұрқыны жоқ")) табысты оқшауланды. Рамзи сұйық ауаны бірнеше құраушыға бөлу үшін фракциялық дистилляция әдісін қолдана отырып, осы газдарды іздеуді жалғастырды. 1898 жылы ол криптон, неон және ксенон элементтерін ашты және оларға грекше сөздерден алынған κρυπτός (kryptós, "жасырын"), νέος (néos, "жаңа") және ξένος (ksénos, "бейтаныс") деген атаулар берді. Радонды алғаш рет 1898 жылы Фридрих Эрнст Дорн анықтады және оны радийдің шығарылысы деп атады, бірақ 1904 жылға дейін оның сипаттамалары басқа асыл газдарға ұқсас екені анықталғанша асыл газ деп саналмады. Рейли мен Рамзи 1904 жылы асыл газдарды ашқандары үшін физика және химия саласындағы Нобель сыйлығын алды. Швед Корольдік Ғылым академиясының сол кездегі президенті Ж.Е. Седербломның айтуынша, "бұрын белгілі болмаған элементтердің толығымен жаңа тобын ашу химия тарихындағы ерекше оқиға және ғылымдағы маңызды жетістік". 1962 жылы Нил Бартлетт асыл газдың алғашқы химиялық қосылысын – ксенон гексафторплатинатын тапты. Басқа асыл газдардың қосылыстары да жақын уақытта ашылды: 1962 жылы радион үшін радион дифториді (радиоактивті іздеу әдістерімен анықталған) және 1963 жылы криптон үшін криптон дифториді. Аргонның тұрақты қосылысы туралы алғашқы хабар 2000 жылы жарияланды, осы жылы аргон фторгидриді (HArF)
температурада синтезделді. 2006 жылдың қазан айында Ядролық зерттеулер жөніндегі бірлескен институт және Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасының ғалымдары калифорнийді кальциймен бомбалау арқылы 18-ші топтағы жетінші элемент – оганнесонды синтетикалық жолмен жасауға сәттілікке жетті.

Noble gas is translated from the German noun Edelgas, first used in 1900 by Hugo Erdmann to indicate their extremely low level of reactivity. The name makes an analogy to the term "noble metals", which also have low reactivity. The noble gases have also been referred to as inert gases, but this label is deprecated as many noble gas compounds are now known. Rare gases is another term that was used, but this is also inaccurate because argon forms a fairly considerable part (0.94% by volume, 1.3% by mass) of the Earth's atmosphere due to decay of radioactive potassium 40. Pierre Janssen and Joseph Norman Lockyer had discovered a new element on 18 August 1868 while looking at the chromosphere of the Sun, and named it helium after the Greek word for the Sun, ἥλιος (hḗlios). No chemical analysis was possible at the time, but helium was later found to be a noble gas. Before them, in 1784, the English chemist and physicist Henry Cavendish had discovered that air contains a small proportion of a substance less reactive than nitrogen. A century later, in 1895, Lord Rayleigh discovered that samples of nitrogen from the air were of a different density than nitrogen resulting from chemical reactions. Along with Scottish scientist William Ramsay at University College, London, Lord Rayleigh theorized that the nitrogen extracted from air was mixed with another gas, leading to an experiment that successfully isolated a new element, argon, from the Greek word ἀργός (argós, "idle" or "lazy"). Ramsay continued his search for these gases using the method of fractional distillation to separate liquid air into several components. In 1898, he discovered the elements krypton, neon, and xenon, and named them after the Greek words κρυπτός (kryptós, "hidden"), νέος (néos, "new"), and ξένος (ksénos, "stranger"), respectively. Radon was first identified in 1898 by Friedrich Ernst Dorn, and was named radium emanation, but was not considered a noble gas until 1904 when its characteristics were found to be similar to those of other noble gases. Rayleigh and Ramsay received the 1904 Nobel Prizes in Physics and in Chemistry, respectively, for their discovery of the noble gases; in the words of J. E. Cederblom, then president of the Royal Swedish Academy of Sciences, "the discovery of an entirely new group of elements, of which no single representative had been known with any certainty, is something utterly unique in the history of chemistry, being intrinsically an advance in science of peculiar significance". In 1962, Neil Bartlett discovered the first chemical compound of a noble gas, xenon hexafluoroplatinate. Compounds of other noble gases were discovered soon after: in 1962 for radon, radon difluoride , which was identified by radiotracer techniques and in 1963 for krypton, krypton difluoride The first stable compound of argon was reported in 2000 when argon fluorohydride (HArF) was formed at a temperature of
In October 2006, scientists from the Joint Institute for Nuclear Research and Lawrence Livermore National Laboratory successfully created synthetically oganesson, the seventh element in group 18, by bombarding californium with calcium.

Физикалық және атомдық қасиеттері

Қасиеттері қайнау нүктесі (К) 4.4 27.3 87.4 121.5 166.6 211.5 450±10 (болжам) 24.7 83.6 115.8 161.7 202.2 325±15 (болжам) Электронегативтілік 4.16 4.79 3.24 2.97 2.58 2.60 2.59 Асыл газдардың атомдар аралық күштері әлсіз болғандықтан, олардың балқу және қайнау нүктелері өте төмен. Олар стандартты жағдайларда моноатомдық газдар болып табылады, оның ішінде атомдық массасы көптеген қатты элементтерден артық элементтер де осы санатқа жатады. Оны қатты күйге келтіру үшін температурасы болғанда қысым қолдану қажет, ал бөлме температурасында шамамен қысым талап етіледі. Ксенонға дейінгі асыл газдарда бірнеше тұрақты изотоптар бар; криптон мен ксенонда табиғатта кездесетін радиоизотоптар да бар, атап айтқанда 78Kr, 124Xe және 136Xe, олардың барлығы өте ұзақ өмір сүреді (> 1021 жыл) және қос электронды тұтқындау немесе қос бета ыдырауына ұшырауы мүмкін. Радонның тұрақты изотоптары жоқ; оның ең ұзақ өмір сүретін изотобы 222Rn, 3,8 күннің жартылай ыдырау периодынан кейін гелий мен полонийге ыдырайды, ал олар әрі қарай қорғашқа ыдырайды. Асыл газдардың макроскопиялық физикалық қасиеттеріне атомдар арасындағы әлсіз ван дер Ваальс күштері басымдық етеді. Тартылу күші атомның мөлшерінің артуымен, поляризацияланудың жоғарылауымен және иондану энергиясының төмендеуімен бірге артады. Бұл жүйелі топтық тенденцияларға әкеледі: 18-топқа төмен қарай жылғанда атомдық радиус артады, соның салдарынан атомдар аралық күштер де артып, балқу нүктесі, қайнау нүктесі, булану энталпиясы және ерігіштік те артады. Тығыздықтың өсуі атомдық массаның артуымен байланысты. Асыл газдар стандартты жағдайларда идеалды газдарға жақын, бірақ олардың идеалды газ заңынан ауытқулары молекулалық өзара әрекеттесуді зерттеуге маңызды түрткіс берді. Молекулалық өзара әрекеттесуді модельдеу үшін жиі қолданылатын Леннард-Джонс потенциалы 1924 жылы Джон Леннард-Джонс кванттық механиканың дамуы молекулалық күштерді бірінші принциптерден түсінуге мүмкіндік бергенге дейін аргон бойынша тәжірибелік деректерден шығарылған. Бұл өзара әрекеттесулердің теориялық талдауы мүмкін болды, өйткені асыл газдар моноатомдық және атомдары сфералық, яғни атомдар арасындағы өзара әрекеттесу бағытқа тәуелсіз, яки изотропты.

PropertyBoiling point (K) 4.4 27.3 87.4 121.5 166.6 211.5 450±10 (predicted) 24.7 83.6 115.8 161.7 202.2 325±15 (predicted)Electronegativity 4.16 4.79 3.24 2.97 2.58 2.60 2.59

The noble gases have weak interatomic force, and consequently have very low melting and boiling points. They are all monatomic gases under standard conditions, including the elements with larger atomic masses than many normally solid elements. – a pressure of must be applied at a temperature of to convert it to a solid while a pressure of about is required at room temperature. The noble gases up to xenon have multiple stable isotopes; krypton and xenon also have naturally occurring radioisotopes, namely 78Kr, 124Xe, and 136Xe, all have very long lives (> 1021 years) and can undergo double electron capture or double beta decay. Radon has no stable isotopes; its longest lived isotope, 222Rn, has a half life of 3.8 days and decays to form helium and polonium, which ultimately decays to lead. The macroscopic physical properties of the noble gases are dominated by the weak van der Waals forces between the atoms. The attractive force increases with the size of the atom as a result of the increase in polarizability and the decrease in ionization potential. This results in systematic group trends: as one goes down group 18, the atomic radius increases, and with it the interatomic forces increase, resulting in an increasing melting point, boiling point, enthalpy of vaporization, and solubility. The increase in density is due to the increase in atomic mass. The noble gases are nearly ideal gases under standard conditions, but their deviations from the ideal gas law provided important clues for the study of intermolecular interactions. The Lennard Jones potential, often used to model intermolecular interactions, was deduced in 1924 by John Lennard Jones from experimental data on argon before the development of quantum mechanics provided the tools for understanding intermolecular forces from first principles. The theoretical analysis of these interactions became tractable because the noble gases are monatomic and the atoms spherical, which means that the interaction between the atoms is independent of direction, or isotropic.

Химиялық қасиеттері

Асыл газдар стандартты жағдайларда түссіз, иіссіз, дәмсіз және жанбайды. Бұрын олар периодтық кестеде 0-топ деп белгіленген, себебі олардың валенттілігі нөлге тең деп есептелген, яғни олардың атомдары басқа элементтермен қосылып, қосылыстар құрамайды. Алайда, кейіннен кейбір газдардың қосылыстар құрайтыны анықталды, сол себепті бұл белгілеу қолданыстан шықты. Дегенмен, радон сияқты ауыр асыл газдар гелий сияқты жеңіл асыл газдарға қарағанда электромагниттік күшпен әлсіз байланысқан, бұл ауыр асыл газдардан сыртқы электрондарды бөліп алуды жеңілдетеді. Толық электрондық қабыққа ие болғандықтан, асыл газдар электрондық конфигурация жазу тәсілімен бірге асыл газ нотациясын жасау үшін қолданылады. Мұнда, қарастырылып отырған элементтің алдында тұрған ең жақын асыл газ жазылады, содан кейін электрондық конфигурация осы нүктеден бастап жалғастырылады. Мысалы, фосфордың электрондық нотациясы 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³, ал асыл газ нотациясы [Ne] 3s² 3p³. Бұл ықшам жазу элементтерді анықтауды жеңілдетеді және атомдық орбитальдардың толық нотациясынан гөрі қысқа. Асыл газдар блоктар арасындағы шекараны кесіп өтеді – гелий s-элементі болса, ал қалғандары p-элементтері, бұл IUPAC топтарында сирек кездесетін жағдай. Басқа барлық IUPAC топтарында әрбір топтан бір блоктан элементтер ғана кіреді. Бұл кестедегі үрдістерде кейбір үйлесімсіздіктерге алып келеді, сондықтан кейбір химиктер гелийді басқа s² элементтерімен бірге 2-топқа көшіруді ұсынды, бірақ бұл өзгеріс кеңінен қабылданбады.