Благородные газы: свойства и применение

Введение

Группа низкореактивных газообразных химических элементов.

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;" | ↓ Период
|
! 1
|
|
! 2
|
|
! 3
|
|
! 4
|
|
! 5
|
|
! 6
|

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

Легенда:
первичный элемент – элемент, образующийся при радиоактивном распаде. Атомный номер. Цвет: красный = газ.

Благородные газы (исторически инертные газы, иногда называемые аэрогенами) – это природные элементы 18-й группы периодической таблицы: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радон (Rn). В стандартных условиях эти элементы представляют собой бесцветные, не имеющие запаха, одноатомные газы с очень низкой химической реакционной способностью и криогенными температурами кипения. Инертность благородных газов, или их неспособность вступать в реакции с другими химическими веществами, обусловлена их электронной конфигурацией: их внешняя оболочка валентных электронов "заполнена", что снижает их склонность к участию в химических реакциях. Известно лишь несколько сотен соединений благородных газов. По той же причине атомы благородных газов малы, и единственной межмолекулярной силой между ними является очень слабая дисперсионная сила Лондона, поэтому все их температуры кипения криогенные, ниже…

Инертность благородных газов делает их полезными в тех случаях, когда химические реакции нежелательны. Например, аргон используется в качестве защитного газа при сварке и в качестве наполнителя в лампах накаливания. После того, как риски, связанные с воспламеняемостью водорода, стали очевидны в результате катастрофы дирижабля "Гинденбург", водород был заменен гелием в дирижаблях и воздушных шарах. Гелий и неон также используются в качестве хладагентов из-за их низких температур кипения. Промышленные количества благородных газов, за исключением радона, получают путем отделения их от воздуха с использованием методов сжижения газов и фракционной перегонки. Гелий также является побочным продуктом добычи природного газа. Радон обычно выделяют из продуктов радиоактивного распада растворенных соединений радия, тория или урана. Седьмым элементом 18-й группы является оганесон (Og) – нестабильный синтетический элемент, химия которого до сих пор не полностью изучена, поскольку было синтезировано всего пять очень короткоживущих атомов (период полураспада = 0,69 мс) (по состоянию на lc=y). Однако, из-за релятивистских эффектов, прогнозируется, что оганесон будет твердым веществом в стандартных условиях и достаточно реакционноспособным, чтобы не соответствовать функциональному определению "благородного" газа. В остальной части статьи термин "благородный газ" следует понимать как не включающий оганесон, если он специально не упоминается.

История

Благородный газ – перевод немецкого существительного Edelgas, впервые использованного в 1900 году Хьюго Эрдманном для обозначения их чрезвычайно низкой реакционной способности. Название является аналогией термину «благородные металлы», которые также обладают низкой реакционной способностью. Благородные газы также назывались инертными газами, но эта терминология устарела, поскольку известно множество соединений благородных газов. «Редкие газы» – еще один использовавшийся термин, однако он также неточен, поскольку аргон составляет довольно значительную часть (0,94% по объему, 1,3% по массе) атмосферы Земли в результате распада радиоактивного калия-40. Пьер Жансен и Джозеф Норман Локьер обнаружили новый элемент 18 августа 1868 года при наблюдении за хромосферой Солнца и назвали его гелием в честь греческого слова для Солнца, ἥλιος (hḗlios). В то время химический анализ был невозможен, но позже было установлено, что гелий является благородным газом. Ранее, в 1784 году, английский химик и физик Генри Кавендиш обнаружил, что воздух содержит небольшое количество вещества, менее реактивного, чем азот. Столетие спустя, в 1895 году, лорд Рэлей обнаружил, что образцы азота из воздуха имеют плотность, отличную от плотности азота, полученного в результате химических реакций. Вместе со шотландским ученым Уильямом Рамзи из Университетского колледжа Лондона лорд Рэлей предположил, что азот, извлеченный из воздуха, смешан с другим газом, что привело к эксперименту, в результате которого был успешно выделен новый элемент, аргон, от греческого слова ἀργός (argós, «бездействующий» или «ленивый»). Рамзи продолжил поиски этих газов, используя метод фракционной перегонки для разделения жидкого воздуха на несколько компонентов. В 1898 году он открыл элементы криптон, неон и ксенон и назвал их в честь греческих слов κρυπτός (kryptós, «скрытый»), νέος (néos, «новый») и ξένος (ksénos, «чужой») соответственно. Радон был впервые идентифицирован в 1898 году Фридрихом Эрнстом Дорном и первоначально назывался радиевой эманацией, но не считался благородным газом до 1904 года, когда его характеристики оказались сходными с характеристиками других благородных газов. В 1904 году Рэлей и Рамзи получили Нобелевские премии по физике и химии соответственно за открытие благородных газов. По словам Дж. Э. Седерблома, тогдашнего президента Шведской королевской академии наук, «открытие совершенно новой группы элементов, ни один представитель которой ранее не был известен с уверенностью, является совершенно уникальным событием в истории химии, по сути представляющим собой достижение в науке особого значения». В 1962 году Нил Бартлетт открыл первое химическое соединение благородного газа – гексафторплатинат ксенона. Вскоре после этого были обнаружены соединения других благородных газов: в 1962 году для радона – дифторид радона, идентифицированный методами радиоактивных индикаторов, и в 1963 году для криптона – дифторид криптона. Первое стабильное соединение аргона было получено в 2000 году, когда при температуре в 22 °C образовался фторгидрид аргона (HArF). В октябре 2006 года ученые из Объединенного института ядерных исследований и Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора успешно синтезировали оганесон, седьмой элемент в группе 18, путем бомбардировки калифорния кальцием.

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.

Физические и атомные свойства

Свойства Точка кипения (K) 4.4 27.3 87.4 121.5 166.6 211.5 450±10 (предсказанная) 24.7 83.6 115.8 161.7 202.2 325±15 (предсказанная) Электроотрицательность 4.16 4.79 3.24 2.97 2.58 2.60 2.59

Благородные газы обладают слабыми межaтомными силами и, следовательно, имеют очень низкие температуры плавления и кипения. При стандартных условиях все они являются моноатомными газами, включая элементы с большей атомной массой, чем у многих обычно твердых элементов. Для перехода в твердое состояние необходимо приложить давление в ± 1 при температуре в ± 1, а для этого же процесса при комнатной температуре требуется давление около ± 1. Благородные газы до ксенона включительно имеют несколько стабильных изотопов; криптон и ксенон также содержат природные радиоизотопы, а именно 78Kr, 124Xe и 136Xe, все они имеют очень большой период полураспада (> 1021 лет) и могут подвергаться двойному захвату электронов или двойному бета-распадy. Радон не имеет стабильных изотопов; его самый долгоживущий изотоп, 222Rn, имеет период полураспада 3,8 дня и распадается с образованием гелия и полония, которые в конечном итоге превращаются в свинец. Макроскопические физические свойства благородных газов определяются слабыми силами Ван-дер-Ваальса между атомами. Сила притяжения увеличивается с ростом размера атома из-за увеличения поляризуемости и уменьшения потенциала ионизации. Это приводит к систематическим тенденциям в группе: при движении вниз по группе 18 атомный радиус увеличивается, а вместе с ним возрастают и межaтомные силы, что приводит к увеличению температуры плавления, температуры кипения, энтальпии испарения и растворимости. Увеличение плотности обусловлено ростом атомной массы. При стандартных условиях благородные газы почти идеально соответствуют закону идеального газа, но их отклонения от него дали важные подсказки для изучения межмолекулярных взаимодействий. Потенциал Леннарда-Джонса, часто используемый для моделирования межмолекулярных взаимодействий, был выведен в 1924 году Джоном Леннардом-Джонсом на основе экспериментальных данных по аргону, до того как развитие квантовой механики предоставило инструменты для понимания межмолекулярных сил из первых принципов. Теоретический анализ этих взаимодействий стал возможным благодаря тому, что благородные газы моноатомны, а атомы имеют сферическую форму, что означает, что взаимодействие между атомами не зависит от направления, то есть является изотропным.

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.

Химические свойства

Благородные газы бесцветны, не имеют запаха, вкуса и не являются горючими при стандартных условиях. Ранее их относили к группе 0 в периодической таблице, поскольку считалось, что их валентность равна нулю, то есть их атомы не способны образовывать соединения с атомами других элементов. Однако впоследствии было обнаружено, что некоторые из них всё же образуют соединения, что привело к отказу от этой классификации. Тем не менее, более тяжёлые благородные газы, такие как радон, удерживаются электромагнитным взаимодействием слабее, чем более лёгкие, например гелий, что облегчает отрыв внешних электронов у тяжёлых благородных газов. Благодаря заполненной электронной оболочке, благородные газы могут использоваться совместно с записью электронной конфигурации для формирования сокращённой записи благородного газа. Для этого сначала записывается ближайший благородный газ, предшествующий рассматриваемому элементу, а затем продолжается запись электронной конфигурации, начиная с него. Например, электронная конфигурация фосфора – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³, а сокращённая запись благородного газа – [Ne] 3s² 3p³. Эта более компактная запись упрощает идентификацию элементов и короче, чем полная запись атомных орбиталей. Благородные газы находятся на границе между блоками – гелий является s-элементом, а остальные – p-элементами, что является необычным для групп IUPAC. Все остальные группы IUPAC содержат элементы, принадлежащие только одному блоку. Это приводит к некоторым противоречиям в тенденциях в периодической таблице, и по этой причине некоторые химики предложили переместить гелий в группу 2 к другим элементам s², однако это предложение не получило широкого признания.