В 1962 году Бартлетт, изучая свойства гексафторида платины, соединения более активного, чем сам фтор, установил, что потенциал ионизации у ксенона ниже, чем у кислорода (12,13 и 12,20 эв соответственно). Между тем кислород образовывал с гексафторидом платины соединение состава O 2 PtF 6 . Бартлетт ставит опыт и при комнатной температуре из газообразного гексафторида платины и газообразного ксенона получает твердое оранжево - желтое вещество -- гексафторплатинат ксенона XePtF 6 , поведение которого ничем не отличается от поведения обычных химических соединений.
Также флуоресцентные лампы основаны на этом принципе, после первого использования флуоресцентного неона они также называются неоновыми лампами. Напротив, люминесцентные лампы, называемые «неоновые трубки», не используют благородный газ, а пары ртути в качестве источника света. Лампы накаливания также заполнены благородными газами, часто криптонами или аргонами. В результате эффективная скорость испарения нити ниже, что обеспечивает более высокую температуру и, следовательно, лучшую светоотдачу.
Из-за низких температур плавления и кипения благородные газы важны как хладагенты. Здесь играет роль жидкий гелий, поскольку он может достигать особенно низких температур. Это важно, например, для сверхпроводящих магнитов, которые используются, например, в спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Если для применения не требуется температура, столь же низкая, как температура, предлагаемая жидким гелием, также можно использовать высококипящие благородные газы, такие как неоновые.
Последующие работы Бартлетта позволили установить, что ксенон в зависимости от условий реакции образует два соединения с гексафторидом платины: XePtF 6 и Xe(PtF 6) 2 ; при гидролизе их получаются одни и те же конечные продукты. Через три недели эксперимент Бартлетта повторила группа американских исследователей во главе с Черником в Аргоннской национальной лаборатории. Кроме того, они впервые синтезировали аналогичные соединения ксенона с гексафторидами рутения, родия и плутония. Так были открыты первые пять соединений ксенона: XePtF 6 , Xe(PtF 6 ) 2 , XeRuF 6 , XeRhF 6 , XePuF 6 .
Как и все газы, благородные газы также оказывают наркотическое действие в зависимости от давления, вызванного блокировкой мембран в нервных клетках. Однако давление, необходимое для гелия и неона, настолько велико, что их можно достичь только в лаборатории; для неона необходимое давление составляет 110 бар. Так как они могут не вызывать глубокой интоксикации, эти два газа используются в сочетании с кислородом даже с кислородом и азотом в качестве дыхательных газов во время погружения. При этом можно достичь большей глубины, чем при использовании воздуха.
Американский ученый Классен попытался найти условия для непосредственного взаимодействия ксенона и фтора. Смесь газов (1 часть ксенона и 5 частей фтора) поместили в никелевый (поскольку никель наиболее устойчив к действию фтора) сосуд и нагрели под сравнительно небольшим давлением. Через час сосуд быстро охладили, а оставшийся в нем газ откачали и проанализировали. Это был фтор. Весь ксенон прореагировал! Вскрыли сосуд и обнаружили в нем бесцветные кристаллы XeF 4 . Тетрафторид ксенона оказался вполне устойчивым соединением, молекула его имеет форму квадрата с ионами фтора по углам и ксеноном в центре.
С другой стороны, ксенон действует как наркотическое средство даже при атмосферном давлении и поэтому может использоваться вместо закиси азота в качестве ингаляционной анестезии. Из-за высокой цены и низкой доступности она редко используется. Наибольшее разнообразие соединений благородного газа существует с ксеноном. Наиболее важными и стабильными являются фторид ксенона, фторид ксенона и фторид ксенона, которые синтезируются реакцией ксенона и фтора в разных пропорциях. Фторид ксенона - единственное соединение благородного газа, которое технически используется в небольших количествах, оно служит в качестве сильного окислителя и фторирующего агента в органической химии.
Интересно в химии ксенона то, что, меняя условия реакции, можно получить не только XeF 4 , но и другие фториды -- XeF 2 , XeF 6 .
Советские химики В. М. Хуторецкий и В. А. Шпанский показали, что для синтеза дифторида ксенона совсем не обязательны жесткие условия. По предложенному ими способу смесь ксенона и фтора (в молекулярном отношении 1:1) подается в сосуд из никеля или нержавеющей стали, и при повышении давления до 35 атм. начинается самопроизвольная реакция.
Все оксиды ксенона и оксифториды нестабильны и часто взрывоопасны. Известны также соединения ксенона с азотом, хлором и углеродом. В сверхкислотных условиях могут быть синтезированы комплексы с металлами, такими как золото или ртуть. Из других благородных газов соединения известны лишь в небольших количествах. Хотя соединения радона должны быть термодинамически одинаковы по устойчивости к соединениям ксенона, их синтез и точная характеристика чрезвычайно сложны из-за сильной радиоактивности и короткого периода полураспада изотопов радона.
Заставить ксенон вступить в реакцию без участия фтора (или некоторых его соединений) пока не удалось. Все известные ныне соединения ксенона получены из его фторидов. Эти вещества обладают повышенной реакционной способностью. Лучше всего изучено взаимодействие фторидов ксенона с водой.
Гидролиз ХеF 4 в кислой среде ведет к образованию окиси ксенона ХеО 3 -- бесцветных, расплывающихся на воздухе кристаллов. Молекула ХеО 3 имеет структуру приплюснутой треугольной пирамиды с атомом ксенона в вершине. Это соединение крайне неустойчиво; при его разложении мощность взрыва приближается к мощности взрыва тротила. Соответствующая трехокиси неустойчивая кислота шестивалентного ксенона H 6 XeO 6 образуется в результате гидролиза XeF 6 при 0° С: XeF 6 + 6H 2 О = 6HF + H 6 XeO 6 .
Предполагается существование стабильного фторида радона, поскольку радон после прохождения через жидкий хлортрифторид больше не обнаруживается и, следовательно, должен реагировать. Если остатки этого раствора растворяются в воде или кислотах, образующимися продуктами разложения являются кислород и фтористый водород в том же соотношении, что и для криптона или дифторида ксенона.
Все известные соединения более легких благородных газов термодинамически нестабильны, легко разлагаются и поэтому могут быть синтезированы, если вообще, только при низких температурах. Наиболее важным и стабильным соединением криптона является криптон-фторид, который является одним из самых сильных известных окисляющих и фторирующих агентов. Фторид криптона может быть получен непосредственно из элементов и является исходным материалом ряда других криптоновых соединений.
Интересна изученная недавно реакция дифторида ксенона с безводной НС1O 4 . В результате этой реакции получено новое соединение ксенона ХеСlO 4 -- чрезвычайно мощный окислитель, вероятно, самый сильный из всех перхлоратов.
Синтезированы также соединения ксенона, не содержащие кислорода. Преимущественно это двойные соли, продукты взаимодействия фторидов ксенона с фторидами сурьмы, мышьяка, бора, тантала: XeF 2 · SbF 5 , ХеF 6 · AsF 3 , ХеF 6 · ВF 3 и ХеF 2 · 2ТаF 5 .
Элементы гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и радона принадлежат к этой группе. Наиболее распространенным благородным газом является аргон. Следующий по числу неон. Затем следуют гелий, криптон и ксенон. Радон встречается только в следах как продукт процессов естественного радиоактивного распада. Благородные газы являются компонентами воздуха. - В межзвездном пространстве Вселенной рядом с водородом практически только гелий.
Благородные газы - это газы, которые бесцветны, безвкусны и без запаха и которые существуют только атомарно. Они довольно хорошо растворяются в воде. Из-за их химических свойств они едва различимы, поэтому их идентифицируют с использованием физических методов. Их число окисления равно 0; только более тяжелые благородные газы имеют 2. Точки плавления благородных газов постоянно при очень низких температурах. Таким образом, гелий имеет самую низкую температуру плавления и кипения всех элементов. За исключением гелия, все кристаллизуются с плотными кубическими решетками.
Вскоре после открытия Бартлетта было замечено, что фторид ксенона (VI) реагирует со стеклом:2XeF6+SiO2=2XeOF4+SiF4.
Помимо соединений ксенона были также получены некоторые соединения криптона и радона.
Для криптона в настоящее время достоверно известно только дифторидное соединение KrF2 и его производные и тетрафторид KrF4 по свойствам напоминающие соединения ксенона.
Электронная конфигурация благородных газов характеризуется замкнутыми оболочками. Они создают сферически-симметричное распределение заряда атомов. Высокие энергии ионизации приводят к чрезвычайной химической стабильности. Поэтому благородные газы также называют инертными или реактивными газами. Благородные газы имеют наивысшую ионизационную энергию своего периода. Из легких благородных газов гелия, неона и аргона соединения не известны.
Поскольку криптон и ксенон тяжелых благородных газов должны реагировать в определенной степени, становится ясно, что, если учесть, что ксенон имеет аналогичную энергию ионизации, как кислород. На сегодняшний день известно более 30 благородных газов. «Запрещенная» реакция. Впервые химики превратили благородные газы в реакцию, которая ранее считалась невозможной: спонтанно и при комнатной температуре ксенон и криптон реагировали с отрицательно заряженным анионом - комплексом атомов бора и хлора. Особая вещь: до сих пор связывание благородных газов с анионами считалось невозможным, потому что у них избыток электронов.
Радон, несомненно, должен давать фторидные соединения не хуже ксенона, однако пока известно лишь о RnF2 и некоторых его производных. Радон также растворим в воде и органических растворителях, с которыми он может образовывать молекулярные соединения, например Rn*6H 2 O , Rn*2C 6 H 5 OH . Реагирует с хлором с образованием хлорида RnCl 4 .
Уже в школе мы узнаем, что благородные газы «застенчивы»: ксенон, гелий и ко реагируют добровольно, а вовсе не на другие элементы. Причиной этого является внешняя оболочка их атомов, заполненных электронами, через которые благородные газы уже достигли энергетически оптимального состояния. Поэтому для реакции, в частности, необходимы особые обстоятельства, например крайность.
Однако согласно нынешней доктрине благородные газы не реагируют со всеми: такая связь возможна только с положительно заряженными партнерами. Их отсутствие электронов затем выделяет некоторые благородные электроны из благородного газа. Однако связи с отрицательными партнерами, которые сами имеют избыток электрона, по мнению нынешнего мнения, невозможны.
Для гелия, неона и аргона стабильные фторидные соединения пока неизвестны. Гелий хуже других газов растворяется в воде и других растворителях. В 1 л воды, например, растворяется при 0 С менее мл Не, т.е. в два с лишним раза меньше чем водорода, и в 51 000 раз меньше, чем HCl.
В обычных условиях гелий химически инертен, но при сильном возбуждении атомов он может образовать молекулярные ионы 2He+. Возможно также образование ионизированных молекул HeH+.
Реакция «невозможного» с анионом
«Химики знают только о нескольких реактивных видах, которые подвергаются химическому связыванию с благородными газами при комнатной температуре», - говорит соавтор Кнут Асмис из Лейпцигского университета. «Включение сильно обогащенных электронами молекул является новым, совершенно неожиданным и заставляет сдвиг парадигмы».
Оказалось, что, хотя молекула бора-хлора полностью обогащена электронами, она имеет локально отчетливый сайт связывания с электронным белком. «Именно здесь образуется химическая связь с атомом благородного газа», - говорит Асмис. Физически говоря, хотя кластер бора является анионом, он делает это с облигациями благородного газа, которые в противном случае типичны для сильно электрофильных катионов. Химики крестили эту новую концепцию реакции, а ее главный актер несколько громоздкий «дипольно-дискриминационный электрофильный анион».
Неон, также как и гелий при сильном возбуждении образует молекулярные ионы типа 2Ne+. Он химически инертен. Для него известны только соединения включения, такие как Ne*6H2O.
Аргон так же образует молекулярные соединения включения - клатраты - с водой, фенолом, толуолом и другими веществами. Гидрат Аргона примерного состава Ar*6H2O представляет собой кристаллическое вещество, разлагающееся при атмосферном давление и температуре -42,8 С. Его можно получить непосредственным взаимодействием Аргона с водой при 0 С и давлении порядка 15 МПа. С соединениями H2S, SO2, CO2, HCl аргон дает двойные гидраты, т.е. смешанные клатраты.
Это не только интересно для фундаментальных химических исследований. Обозначая элементы гелия, за исключением гелия, благородные газы имеют восемь внешних электронов на их внешней электронной оболочке. Это условие называется конфигурацией благородного газа. Гелий имеет два внешних электрона, так что первая оболочка полностью занята. Они происходят в состоянии окисления 0. Ксенон и радон также могут иметь состояние окисления 2.
По мере увеличения массы энергия ионизации уменьшается, причем эти энергии очень велики. Этот факт делает благородные газы рядом с вашей конфигурацией благородного газа очень инертными веществами. Благородные газы - это неметаллы и компоненты воздуха. Они бесцветны, безвкусны и без запаха, а также растворимы в воде.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Инертные или благородные газы находятся в VIIIA группе Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева – это гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон .
Каждый период Периодической системы заканчивается инертным газом, кроме гелия, все они имеют на внешнем энергетическом уровне по 8 электронов, образующих очень устойчивую систему, в связи с чем эти элементы получили название инертных. Несмотря на то, что электронная оболочка гелия состоит из двух электронов, она также очень устойчива. В связи с этим явлением атомы инертных газов обладают высокими значениями энергий ионизации и, как правило, отрицательными значениями энергии сродства к электрону.
При проводке электрического тока через благородный газ появляются характерные цвета. Это используется в люминесцентных лампах. Гелиевые огни розовые Неоновые огни оранжевые Аргон огни синий Криптон огни желтый зеленый Ксеноновые фары фиолетовый Радон огни красный. Подробности Франциска Яссен Опубликовано.
Они представляют собой группу химических элементов с очень схожими свойствами: при нормальных условиях они не имеют запаха, бесцветные моноатомные и имеют очень низкую химическую реактивность. Они расположены в группе 18 периодической таблицы. Шесть благородных газов, обнаруженных в природе, - гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радиоактивный радон. Благородство объясняется современными теориями атомной структуры: их электронная броня электронов считается полной, что дает им небольшую склонность к участию в химических реакциях и только несколько соединений благородных газов были приготовлены до температуры плавления и точка кипения каждого благородного газа очень близка, отличающаяся менее чем на 10 ° С; следовательно, это только жидкости в очень небольшом температурном диапазоне.
Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня инертных газов – 1s 2 (He) и ns 2 np 6 для других инертных газов.
Изначально предполагали, что атомы инертных газов не способны к образованию химических связей с другими элементами. Были известны лишь несколько нестойких соединений благородных газов – гидраты аргона, криптона и ксенона (Ar×6H 2 O, Kr×6H 2 O, Xe×6H 2 O), которые получались при действии инертных газов на кристаллизующуюся переохлажденную воду.
Ксенон реагирует спонтанно с фтором, а другие соединения получены из полученных соединений. Некоторые соединения также были выделены криптоном. Неоновый, аргон, криптон и ксенон получают из воздуха с использованием способов сжижения и фракционной перегонки. Гелий обычно отделен от природного газа, и радон обычно выделяется из радиоактивного распада растворенных радиосоединений. Благородные газы имеют много важных применений в таких отраслях, как освещение, сварка и освоение космоса. Комбинация гелий-кислород используется для глубокого погружения глубиной менее 55 метров, чтобы дайверы не страдали от наркотического эффекта азота, который присутствует с этой глубины.
Позже, было установлено, что Kr, Xe и Rn вступают в реакции взаимодействия с другими веществами, например, с фтором, при нагревании или электрическом разряде. Для ксенона известны оксид – XeO 3 и гидроксид- Xe(OH) 6 .
Наибольшее практическое применение среди всех благородных газов находят аргон, неон и гелий.
Гелий
По физическим свойствам гелий наиболее близок к молекулярному водороду. В связи с малой поляризуемостью атома гелия, у него самые низкие температуры кипения и плавления, по сравнению с другими элементами VIIIA группы. Однако, он хуже, чем другие инертные газы растворим в воде.
В обычных условиях гелий химически инертен, но в возбужденном состоянии он способен образовывать неустойчивые молекулярные ионы He 2 + или ионизированные молекулы HeH + .
Гелий – наиболее распространенный из элементов космоса, после водорода и состоит из двух изотопов — 4 He и 3 He. Доказано присутствие гелия в атмосфере Солнца, звезд и в метеоритах.
Гелий получают из некоторых природных газов методом глубокого охлаждения, при этом гелий остается в газообразном состоянии, в то время как другие газы конденсируются.
Гелий нашел применение в атомной энергетике, при автогенной сварке металлов, в физических лабораториях в качестве хладоносителя. Изотоп гелия 3 He – единственное вещество, пригодное для измерения температур ниже 1К.
Неон. Аргон
Основное отличие неона от гелия – большая поляризуемость атома, склонность к образованию межмолекулярных связей, несколько большая растворимость и способность адсорбироваться.
Агрон, как и неон, имеет 8 электронов на внешнем энергетическом уровне и, вследствие высокой устойчивости электронной структуры атома неона, он не способен к образованию соединений валентного типа. Аргон образует молекулярные соединения включения – клатраты – с водой, фенолом, толуолом и другими веществами. С сединениями H 2 S, SO 2 , CO 2 , HCl аргон дает двойные гидраты, т.е. смешанные клатраты.
Неон и аргон получают из воздуха путем его разделения при глубоком охлаждении. Аргон, в связи с его сравнительно высоким содержанием в воздухе, получают в значительных количествах, неон – в меньших.
Неон и аргон применяют в качестве наполнителей ламп накаливания, газосветных трубок (для неона характерно красное свечение, для аргона – сине-голубое). Аргон, как наиболее доступный из инертных газов, используют в металлургии, в частности при аргонно-дуговой сварке алюминиевых и алюминиевомагниевых сплавов.
Подгруппа криптона
Энергия ионизации элементов подгруппы криптона (Kr, Xe, Rn) характеризуются меньшими значениями энергии ионизации, чем типические элементы VIIIA группы, поэтому могут образовывать соединения обычного типа. Так, ксенон может проявлять степени окисления «+2», «+4», «+6», «+8».
Криптон применяют в электровакуумной технике, в смеси с ксеноном его используют в качестве наполнителя для различного вида осветительных ламп и трубок. Радиоактивный радон используют в медицине.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | При взаимодействии сульфата марганца с фторидом ксенона (II) в водном растворе выделилось 4,8 л газа (при температуре 20 °С и нормальном атмосферном давлении). Чему равна масса образовавшейся марганцовой кислоты? |
| Решение | Запишем уравнение реакции:
5ХеF 2 + 2МnSО 4 + 8Н 2 О = 5Хе + 2Н 2 SО 4 + 10НF + 2НМnО 4 |
