Благородные (инертные) газы

 

Благородные (инертные) газы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

История открытия благородных газов

Открытие благородных газов и изучение их свойств представляют собой очень интересную историю, хотя и вызвавшую некоторые потрясения у ученых-химиков. Этот период в истории химии даже называли полушутливо «кошмаром благородных газов».

Первый благородный газ, аргон, был открыт в 1894 году. В это время возник горячий научный спор между двумя британскими учеными - лордом Рэлеем и Вильямом Рамзаем. Релею пришло в голову, что азот, полученный из воздуха после удаления кислорода, имел плотность несколько большую, чем азот, полученный химическим путем. Рамзай придерживался той точки зрения, что такую аномалию в плотности можно объяснить присутствием в воздухе неизвестного тяжелого газа. Его коллега, напротив, не хотел согласиться с этим. Релей считал, что это, скорее, какая-то тяжелая озоноподобная модификация азота.

Внести ясность мог только эксперимент. Рамзай удалил из воздуха кислород обычным способом - использовав его для сжигания, и связал азот, как он это обычно делал в своих лекционных опытах, пропуская его над раскаленным магнием. Применив оставшийся газ для дальнейших спектральных исследований, изумленный ученый увидел невиданный раньше спектр с красными и зелеными линиями.

Все лето 1894 года лорд Релей и Рамзай вели оживленную переписку и 18 августа сообщили об открытии новой составной части атмосферы – аргона. Рамзай продолжил свои опыты и выяснил, что аргон еще более инертен, чем азот, и, очевидно, вообще не реагирует с каким-либо другим химическим веществом. Именно за это свойство он получил свое название: «аргон» – от греческого «инертный».

Рамзай определил атомную массу аргона: 40. Следовательно, его надо было бы поместить между калием и кальцием. Однако там не было свободного места! Чтобы разрешить это противоречие, высказывались различные гипотезы. В частности, Д.И. Менделеев предположил, что аргон – аллотропическая модификация азота N3, молекула которой предположительно обладала очень высокой устойчивостью.

Рамзай вспомнил о сообщении доктора Гиллебранда из Института геологии в Вашингтоне. В 1890 году американский ученый обратил внимание на то, что при разложении минерала клевеита кислотами выделяются значительные количества газа, который он считал азотом. Теперь Рамзай хотел проверить - быть может, в этом азоте, связанном в минерале, можно было бы обнаружить аргон!

Он разложил две унции редкой породы серной кислотой. В марте 1895 он изучил спектр собранного газа и был необычайно поражен, когда обнаружил сверкающую желтую линию, отличающуюся от известной желтой спектральной линии натрия.

Это был новый газ, не известный до той поры газообразный элемент. Уильям Крукс, который в Англии считался первейшим авторитетом в области спектрального анализа, сообщил своему коллеге, что пресловутая желтая линия - та же, что была замечена Локьером и Жансеном в 1868 году в спектре Солнца: следовательно, гелий есть и на Земле.

Рамзай нашел способ, как разместить оба вновь открытых газа в периодической системе, хотя формально места для них не было. К известным восьми группам элементов он добавил нулевую группу, специально для нульвалентных, нереакционноспособных благородных газов, как теперь стали называть новые газообразные элементы.

Когда Рамзай разместил благородные газы в нулевой группе по их атомной массе - гелий 4, аргон 40, то обнаружил, что между ними есть место еще для одного элемента. Рамзай сообщил об этом осенью 1897 года в Торонто на заседании Британского общества. После многих неудачных опытов Рамзаю пришла в голову мысль искать их в воздухе. Тем временем немец Линде и англичанин Хемпсон практически одновременно опубликовали новый способ сжижения воздуха. Этим методом и воспользовался Рамзай и, действительно, с его помощью смог обнаружить в определенных фракциях сжиженного воздуха недостающие газы: криптон («затаившийся»), ксенон («чужой») и неон («новый»).

После этих открытий стало ясно, что в природе существует группа новых химических элементов и для нее нужно найти место в системе химических элементов. Поскольку эти новые элементы были исключительно инертными и не проявляли химических свойств, то по предложению бельгийского химика Эрреры, а также Рамзая, и по согласованию с Д.И. Менделеевым в 1900 году в Периодическую систему была введена нулевая группа химических элементов, в которую вошли названные элементы, а также радон («луч») – продукт радиоактивного распада радия (открыт в 1901 году). Нулевая группа, естественно, располагалась перед первой группой; номер группы в Периодической системе связан с максимальной валентностью химических элементов, проявляемой ими в кислородных соединениях, или с максимальной степенью окисления. Огромные усилия химиков разных стран, направленные на выявление реакционной способности новых элементов, были тщетными. Они не вступали во взаимодействие ни с какими, даже самыми активными веществами, и потому был сделан вывод, что валентность и степень окисления благородных газов равны нулю. В связи с этим их назвали «инертными газами». Впоследствии это название было заменено термином «благородные газы».

Благородные (инертные) газы

К благородным, или инертным, газам относятся:

• гелий Не,
• неон Ne,
• аргон Ar,
• криптон Kr,
• ксенон Хе,
• радон Rn.

Они относятся к VIII группе, главной подгруппе периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Одноатомные газы без цвета и запаха. Внешняя электронная оболочка молекул заполнена (s2p6), благодаря чему при нормальных условиях благородные газы моноатомны и химически инертны. Входят в состав земной атмосферы: наиболее распространен аргон (0,934% по объему), наименее распространен ксенон (0,86•10-5%). В небольших количествах содержатся в некоторых минералах, природных газах, в растворенном виде - в воде. Кроме этого, обнаружены также в атмосферах планет-гигантов и на Солнце (гелий).

Физические свойства инертных газов

В нормальных условиях благородные газы – газообразные вещества без цвета и запаха. Благородные газы – бесцветные одноатомные газ без цвета и запаха.

Инертные газы обладают более высокой электропроводностью по сравнению с другими газами и при прохождении через них тока ярко светятся: гелий ярко-жёлтым светом, потому что в его сравнительно простом спектре двойная жёлтая линия преобладает над всеми другими; неон огненно красным светом, так как самые яркие его линии лежат в красной части спектра.

Насыщенный характер атомных молекул инертных газов сказывается и в том, что инертные газы имеют более низкие точки сжижения и замерзания, чем другие газы с тем же молекулярным весом.

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 O2PtF6. Бартлетт ставит опыт и при комнатной температуре из газообразного гексафторида платины и газообразного ксенона получает твердое оранжево - желтое вещество — гексафторплатинат ксенона XePtF6, поведение которого ничем не отличается от поведения обычных химических соединений.

Последующие работы Бартлетта позволили установить, что ксенон в зависимости от условий реакции образует два соединения с гексафторидом платины: XePtF6 и Xe(PtF6)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: XePtF6, Xe(PtF6)2, XeRuF6, XeRhF6, XePuF6.

Гелий

Гелий является важным источником низких температур. При температуре жидкого гелия тепловое движение атомов и свободных электронов в твердых телах практически отсутствует, что позволяет изучать многие новые явления, например сверхпроводимость в твердом состоянии.

Газообразный гелий используют как легкий газ для наполнения воздушных шаров. Поскольку он негорюч, его добавляют к водороду для заполнения оболочки дирижабля. Гелий используют как инертную среду для дуговой сварки, особенно магния и его сплавов, при получении Si, Ge, Ti и Zr, для охлаждения ядерных реакторов.

Так как гелий хуже растворим в крови, чем азот, большие количества гелия применяют в дыхательных смесях для работ под давлением, например при морских погружениях, при создании подводных тоннелей и сооружений. При использовании гелия декомпрессия (выделение растворенного газа из крови) у водолаза протекает менее болезненно, менее вероятна кессонная болезнь, исключается такое явление, как азотный наркоз. Смеси He–O2 применяют, благодаря их низкой вязкости, для снятия приступов астмы и при различных заболеваниях дыхательных путей. Также смеси благородных газов с кислородом при вдыхании обладают анестезирующим свойством (это открытие принадлежит российскому фармакологу Лазареву).

Другие применения гелия – для газовой смазки подшипников, в счетчиках нейтронов (гелий-3), газовых термометрах, рентгеновской спектроскопии, для хранения пищи, в переключателях высокого напряжения. В смеси с другими благородными газами гелий используется в наружной неоновой рекламе (в газоразрядных трубках). Жидкий гелий выгоден для охлаждения магнитных сверхпроводников, ускорителей частиц и других устройств.

Неон. Аргон

Неон также как гелий используется для заполнения ламп накаливания, сигнальных ламп и газоразрядных трубок, дающих красновато-оранжевое свечение и используемых при изготовлении светящихся реклам.

Продувкой аргона через жидкую сталь из нее удаляют газовые включения. Это улучшает свойства металла.

Все шире применяется дуговая электросварка в среде аргона. В аргонной струе можно сваривать тонкостенные изделия и металлы, которые прежде считались трудносвариваемыми. Продуваемый вдоль столба дуги аргон (в смеси с водородом) предохраняет кромки разреза и вольфрамовый электрод от образования окисных, нитридных и иных пленок. Одновременно он сжимает и концентрирует дугу на малой поверхности, отчего температура в зоне резки достигает 4000—6000° С. К тому же эта газовая струя выдувает продукты резки.

Криптон. Ксенон

Криптон применяется в газоразрядных трубках, а также используется как эталон единицы длины в системе СИ.

Области применения ксенона разнообразны. В светотехнике признание получили ксеноновые лампы высокого давления. В таких лампах светит дуговой разряд в ксеноне, находящемся под давлением в несколько десятков атмосфер. Свет в ксеноновых лампах появляется сразу после включения, он ярок и имеет непрерывный спектр — от ультрафиолетового до ближней области инфракрасного. Ксеноном пользуются и медики — при рентгеноскопических обследованиях головного мозга. Как и баритовая каша, применяющаяся при просвечивании кишечника, ксенон сильно поглощает рентгеновское излучение и помогает найти места поражения. При этом он совершенно безвреден. Активный изотоп ксенона, ксенон - 133, используют при исследовании функциональной деятельности легких и сердца.

Радон

Радон применяют главным образом в медицине. В радиационной терапии его используют для обработки злокачественных опухолей. В физиотерапии радоновые ванны назначают для лечения заболеваний центральной нервной системы, а также сердечно-сосудистых и кожных заболеваний. Издавна известно о целебном действии радоновых вод. Часто у таких источников строят санатории или лечебные комплексы. Такие санатории находятся, к примеру, на Алтае на курорте «Белокуриха» и в Казахстане, в санатории «Рахмановские ключи», у подножия горы Белуха.

Значение открытия инертных газов

Открытие благородных газов имело огромное значение для научного сообщества. В частности, оно помогло в проведении спектральных исследований. Оранжевая линия спектра стабильного изотопа криптона-86 принята в качестве международного эталона длины волны света. Однако самое большое значение открытие этих элементов имело для развития понятия валентности и учения о межмолекулярных силах. В этом направлении работали ученые Коссель и Льюис, которые выдвинули гипотезу о том, что электронная оболочка из 8 электронов наиболее устойчива и различные атомы стремятся приобрести ее путем присоединения или отщепления электронов.

До 1962 года считалось, что инертные газы не вступают ни в какие реакции. В 1962 году канадский ученый Н. Бартлетт смог получить соединение ксенона и гексафторида платины XePtF6. Бартлетт впервые получил соединение, в которое была вовлечена восьмиэлектронная оболочка ксенона. Таким образом был разрушен миф об абсолютной инертности благородно-газовой оболочки. После этого название «инертные газы» уже не соответствовало действительности, поэтому по аналогии с малоактивными благородными металлами эту группу химических элементов назвали благородными газами. Поскольку были получены химические соединения, в которых максимальная валентность благородных газов равна 8, вместо нулевой группы их стали считать главной подгруппой VIII группы Периодической системы.

Источник информации:  http://www.apxu.ru/article/plapla/bibb/blago/ictoria_otkrytia_blagorodnyh_gazov.htm