Благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)

Без рубрики

История их открытия

История открытия благородных газов драматична и могла бы послужить основой для хорошего химического детектива. А началась она довольно банально. Английский физик Джон Уильям Рэлей не предполагал совершить никакого открытия. Опытный, педантичного склада экспериментатор, он в 1888 г. решил определить плотности и молекулярные массы различных газов с очень высокой для того времени степенью точности – до сотых долей процента. Однако азот, выделенный им из воздуха, неизменно оказывался тяжелее, чем полученный при разложении нитрита аммония. Литр азота воздуха имел массу 1,2572 г, а литр «химического» азота — 1,2505 г. Разница невелика, но она выходила за пределы экспериментальной погрешности и была постоянной. Сам Рэлей не сумел объяснить этот парадокс.

Благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)
Дж. Рэлей

Через научный журнал «Nature» («Природа») Рэлей в апреле 1894 г. обратился к учёным с просьбой помочь в решении проблемы. Откликнулся только один человек — заведующий кафедрой химии Лондонского университета Уильям Рамзай (1852— 1916). Он высказал неожиданную идею: вероятно, в азоте, выделенном из воздуха, есть небольшая примесь какого-то другого, более тяжёлого газа. Мысль была смелая, даже дерзкая — ведь до этого состав воздуха изучали сотни исследователей.

Но вот, анализируя лабораторные записи Г. Кавендиша, Рэлей и Рамзай обратили внимание на старый, забытый уже опыт, выполненный в 1785 г. Пропуская через воздух, содержащий избыток кислорода, электрические разряды, Кавендиш превращал азот в оксид NО2, который поглощал раствором щелочи. В итоге примерно сотая по объёму часть воздуха не вступала в реакцию, оставаясь неизменной. Это был уже четкий ориентир. Рамзай изменил этот опыт, связав кислород с помощью меди в оксид меди(II), а азот магнием в нитрид магния. «В остатке», как и у Кавендиша, оказалась небольшая часть исходного объёма воздуха. Но «личность» нового газа так и не была установлена.

Газ вёл себя парадоксально: он не вступал в реакции с хлором, металлами, кислотами, щелочами, т. е. был абсолютно химически инертен. И ещё одна неожиданность: Рамзай доказал, что его молекула состоит из одного атома, а до той поры одноатомные газы были неизвестны.

12 августа 1894 г. Рэлей выступил с докладом о новом газе в Британской ассоциации содействия науке. А позже новый элемент был назван аргоном (от греч. «аргос» — «ленивый», «безразличный»).

Этому сообщению поверили далеко не все химики, усомнился в нём и сам Менделеев. Периодическая система элементов являла собой удивительно целостное строение: открытие аргона, казалось, могло привести к тому, что все её «здание» рухнет. Атомная масса газа (39,9) указывала ему место между калием (39,1) и кальцием (40, 1). Но в этой части таблицы все клети были давно заняты. Авторы открытия, горячие сторонники периодического закона, тоже не испытывали особого торжества. Аргон не имел в таблице аналогов, и вообще ему не находилось места в периодической системе: ну куда можно поместить элемент, лишенный химических свойств?

Благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)
У. Рамзай

Ответ на этот вопрос пришёл не сразу. Прежде всего, вспомнили об открытии, которое сделали почти одновременно, в 1868 г., два астронома — француз Пьер Жюль Сезар Жансен и англичанин Джозеф Норман Локьер. Эти ученые с помощью недавно изобретённого прибора — спектроскопа изучали спектр солнечных протуберанцев и обнаружили в нём жёлтую линию, принадлежащую новому элементу. Но официальное признание он получил лишь четверть века спустя. Это случилось только после того как гелий (так его назвали в честь греческого бога Солнца Гелиоса) открыли на Земле.

В 1895 г. Рамзай при обработке очень редкого минерала клевеита nUО3 • mUО2 • хРbО серной кислотой обнаружил газ, спектральный анализ которого показал, что это «земной» гелий. Как установили позже, гелий непрерывно образуется в минерале в результате радиоактивного распада урана.

Теперь уже двум элементам не было места в периодической системе: аргону и гелию. После длительных дискуссий Менделеев и Рамзай пришли к выводу, что инертным, т. е. лишенным химических свойств, газам надо отвести отдельную, так называемую нулевую группу между галогенами и щелочными металлами.

В надежде отыскать остальные инертные газы Рамзай вернулся к изучению воздуха. Следующий инертный газ выделили в 1898 г. «методом исключения», после того как кислород, азот и все тяжёлые компоненты воздуха были превращены в жидкость. Оставшийся газ собрали, поместили в разрядную трубку, пропустили через неё электрический ток, и трубка вспыхнула ярким красно-оранжевым светом. Элементу дали незамысловатое название «неон», что в переводе с греческого означает «новый».

В том же году Рамзай выделил из жидкого воздуха (предварительно удалив кислород, азот и аргон) смесь, в которой спектральным методом были открыты ещё два газа: криптон («скрытый», «секретный») и ксенон («чуждый», «необычный»). Таким образом, к лету 1898 г. оказались известны пять благородных газов.

За исследования в области инертных газов Рэлей и Рамзай были удостоены Нобелевской премии.

Рамзая, открывшего пять элементов, вполне можно сравнить с золотоискателем, которому фантастически повезло — он напал на «золотую жилу». Однако этот великий ученый вложил в ее разработку колоссальный труд и ювелирное искусство. За два года работы он получил всего 300 мл ксенона, для чего пришлось переработать 77,5 млн литров воздуха, т. е. 100 тонн!

В 1899 г. тогда еще молодой английский физик Эрнест Резерфорд обнаружил, что радиоактивный распад тория сопровождается выделением неизвестного газа. Это оказался последний представитель «благородного семейства». Впоследствии новый элемент получил название «радон», в честь непосредственного «ядерного предтечи» радия.

Чтобы дать наглядное представление о содержании благородных газов в земной атмосфере, отметим, что 1 м3 (1000 л)воздуха включает 9,3 л Ar, 18 мл Ne, 4,6 мл Не, 1,1 мл Kr, 0,086 мл Хе и лишь 6 • 10-16 мл радиоактивного радона. Если бы молекулы воздуха были видимы и проходили перед наблюдателем по одной в секунду, то молекула аргона появлялась бы в среднем каждые две минуты, криптона — один раз в десять дней, молекулу ксенона пришлось бы дожидаться четыре месяца, а молекулу радона — 50 триллионов лет! Однако абсолютное количество благородных газов в атмосфере огромно. Только ксенона в ней содержится 430 млн тонн.

Электронное строение

После открытия инертных газов и создания «нулевой группы» периодическая система элементов приобрела более законченный вид.

С развитием представлений об электронном строении атомов стало ясно, что инертные газы имеют целиком заполненные s- и р-подуровни. На единственном электронном уровне атома гелия располагаются два электрона ( ls2), а остальные представители группы являются р-элементами, и у них на внешнем электронном уровне находятся по восемь электронов (ns2np6, где n — номер периода). Поэтому с точки зрения электронного строения неон и более тяжелые газы следует поместить в главную подгруппу VIII группы. Гелий можно было бы отнести к s-элементам и формально поставить в группу IIА. Однако он настолько непохож по свойствам на элементы II группы: бериллий, магний и другие, что его оставили в VIII группе вместе с подобными ему газами.

Все электроны в атомах гелия, неона и аргона очень прочно связаны с ядром, поэтому эти элементы не вступают в химические реакции. Энергия же р-орбиталей криптона, ксенона и радона позволяет им быть донорами р-электронов при образовании химических связей с наиболее электроотрицательными элементами — фтором, кислородом. Недаром учёные отказались от прежнего названия «инертные» и сейчас именуют эту подгруппу благородными газами.

Химические свойства

Долгое время считалось, что инертные газы не вступают в химические реакции. Однако в 1962 г. канадский химик Нилл Бартлетт при нагревании смеси ксенона с сильным окислителем — гексафторидом платины PtF6 получил желтое кристаллическое вещество состава XePtF6.

После публикации результатов Бартлетга за один год удалось синтезировать фториды ксенона — XeF2, XeF4, XeF6 — и исследовать их строение и свойства.

К концу ХХ столетия число полученных соединений ксенона превысило сотню, соединений криптона — уже более двух десятков, среди них KrF2, KrF4, соли криптоновой кислоты H2KrO4. Самым химически активным должен быть радон, но он слишком нестабилен, и синтезировано всего несколько его соединений. Теперь очередь за аргоном для него пока известны только соединения включения, например клатрат Ar ∙ 6Н2О (гидрат аргона), где аргон не образует химической связи, а включен в кристаллическую решетку льда.

Что же касается гелия и неона, то они, надо полагать, навсегда останутся непоколебимыми в своём «благородстве».

Физические свойства и применение благородных газов

Все элементы VIIIA группы представляют собой одноатомные газы, которые только при очень низких температурах могут быть переведены в жидкое и твёрдое состояние.

Интересно, что температуры кипения и плавления каждого газа различаются всего лишь на несколько градусов. Это объясняется слабым межмолекулярным взаимодействием как в жидкой, так и в твердой фазе.

Гелий обладает самой низкой температурой кипения и плавления. Перевести его в твердое состояние удается только при давлении порядка 25 ∙10 5 Па.

Жидкий гелий впервые получил в 1908 г. нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, удостоенный за это Нобелевской премии (1913 г.).Благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)

В 1938 г. выдающийся советский физик Пётр Леонидович Капица (1894—1984) установил, что при температурах ниже 2,17 К (—271 оС) жидкий гелий не обладает вязкостью, т. е. становится сверхтекучим. В таком состоянии теплопроводность в миллион раз больше, чем при 4 К (—269 оС). За открытие и исследование этого явления ученому в 1978 г. была присуждена Нобелевская премия, а в 1962 г. Нобелевскую премию получил Лев Давыдович Ландау, давший теоретическое обоснование явления сверхтекучести. Сверхтекучесть жидкого гелия позволит использовать его в будущем для создания сверхпроводящих электромагнитов.

Гелий получают не из воздуха, а из природного газа: в нем содержание гелия может достигать нескольких процентов, а это в тысячу раз больше, чем в атмосфере.

Остальные благородные газы выделяют путем низкотемпературной фракционной разгонки жидкого воздуха. Ксенон образуется в реакторах в результате распада ядерного горючего.

Поскольку гелий обладает низкой плотностью (в семь раз меньше плотности воздуха) и негорюч, им заполняют метеорологические шары, зонды, аэростаты, дирижабли. Жидкий гелий используется для создания низких температур, близких к абсолютному нулю.

Аргон служит для создания инертной атмосферы в металлургических процессах, в химическом производстве, при электросварке. Криптон и ксенон используются для заполнения ламп накаливания и в производстве источников света высокой мощности. Газоразрядные лампы, заполняемые неоном, раньше применялись в рекламе, но в последнее время на смену им пришли люминесцентные лампы.

В целом промышленное значение благородных газов, несомненно, уступает той роли, которую они сыграли в развитии периодического закона, создании фундаментальной теории химической связи и химической реакционной способности.

Скачать:

Скачать бесплатно реферат на тему: «Инертные газы и их свойства» [download id=»1427″]

Скачать бесплатно реферат на тему: «Общие сведения об открытиях благородных газов» [download id=»1612″]

Скачать рефераты по другим темам можно здесь

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock
detector