Благородный газ - Noble gas

благородные газы
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титана Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Беркелиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
Номер группы ИЮПАК 18
Имя по элементу группа гелия или
группа неона
Банальное имя благородные газы
Номер группы CAS
(США, образец ABA)
VIIIA
старый номер IUPAC
(Европа, образец AB)
0

↓  Период
1
Изображение: разрядная трубка гелия
Гелий (He)
2
2
Изображение: неоновая газоразрядная трубка
Неон (Ne)
10
3
Изображение: газоразрядная трубка аргона
Аргон (Ar)
18
4
Изображение: газоразрядная трубка из криптона
Криптон (Kr)
36
5
Изображение: ксеноновая газоразрядная трубка
Ксенон (Xe)
54
6 Радон (Рн)
86
7 Оганессон (Ог)
118

Легенда

изначальный элемент
элемент в результате радиоактивного распада
Цвет атомного номера: красный = газ

Эти благородные газы (исторически также инертные газы , иногда называемый aerogens ) составляют класс химических элементов с аналогичными свойствами; в стандартных условиях все они представляют собой одноатомные газы без запаха, цвета и очень низкой химической активности . Шесть природных благородных газов - это гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn).

Оганессон (Og) - это синтетически произведенный высокорадиоактивный элемент, который, по различным прогнозам, является еще одним благородным газом или нарушит тенденцию и будет реактивным из-за релятивистских эффектов . Частично из-за чрезвычайно короткого периода полураспада его единственного известного изотопа 0,7 мс , его химический состав еще не исследован.

Для первых шести периодов таблицы Менделеева благородные газы точно принадлежат к группе 0 . Благородные газы обычно крайне инертны, за исключением особо экстремальных условий. Инертность благородных газов делает их очень подходящими в тех случаях , когда реакции не хотели. Например, аргон используется в лампах накаливания для предотвращения окисления горячей вольфрамовой нити; Кроме того, гелий используется для вдыхания газа глубоководными водолазами для предотвращения отравления кислородом, азотом и углекислым газом (гиперкапния) .

Свойства благородных газов могут быть хорошо объяснены современными теориями строения атомов : их внешняя оболочка из валентных электронов считается «полной», что дает им небольшую склонность к участию в химических реакциях, и было возможно приготовить только несколько сотен соединений благородных газов . В плавления и температурой кипения для данного благородного газа находятся близко друг к другу, отличающиеся менее чем на 10 ° C (18 ° F); то есть они являются жидкостями только в небольшом диапазоне температур.

Неон, аргон, криптон и ксенон получают из воздуха в воздухоразделительной установке методами сжижения газов и фракционной перегонки . Гелий получают из месторождений природного газа, которые имеют высокие концентрации гелия в природном газе , с использованием методов криогенного разделения газов , и радон обычно выделяют при радиоактивном распаде растворенных соединений радия , тория или урана . Благородные газы находят несколько важных применений в таких отраслях, как освещение, сварка и освоение космоса. Гелий-кислород дыхательного газ часто используется глубоководными водолазами на глубинах морской воды свыше 55 м (180 футов). После того, как риски, связанные с воспламеняемостью водорода, стали очевидны во время катастрофы в Гинденбурге , его заменили гелием в дирижаблях и воздушных шарах .

История

Благородный газ переводится с немецкого существительного Edelgas , впервые использованного в 1898 году Хьюго Эрдманном, чтобы указать на их чрезвычайно низкий уровень реактивности. Название аналогично термину « благородные металлы », которые также обладают низкой реакционной способностью. Благородные газы также называют инертными газами , но этот ярлык не рекомендуется, так как сейчас известно множество соединений благородных газов . Редкие газы - это еще один термин, который использовался, но он также неточен, потому что аргон составляет довольно значительную часть (0,94% по объему, 1,3% по массе) атмосферы Земли из-за распада радиоактивного калия-40 .

Диаграмма линейного спектра видимого спектра с четкими линиями сверху.
Гелий был впервые обнаружен на Солнце из-за его характерных спектральных линий .

Жансно и Джозеф Локьер обнаружили новый элемент 18 августа 1868 года, глядя на хромосферах от Солнца , и назвали его гелием после греческого слова для Солнца, ἥλιος ( Helios ). В то время химический анализ был невозможен, но позже выяснилось, что гелий является благородным газом. Еще до них, в 1784 году, английский химик и физик Генри Кавендиш обнаружил, что воздух содержит небольшую долю вещества, менее реактивного, чем азот . Спустя столетие, в 1895 году, лорд Рэлей обнаружил, что образцы азота из воздуха имеют плотность, отличную от плотности азота, полученного в результате химических реакций . Вместе с шотландским ученым Уильямом Рамзи из Университетского колледжа в Лондоне лорд Рэлей предположил, что азот, извлеченный из воздуха, был смешан с другим газом, что привело к эксперименту, который успешно изолировал новый элемент, аргон, от греческого слова ἀργός ( argós , «холостой ход»). "или" ленивый "). С этим открытием они поняли, что в периодической таблице отсутствует целый класс газов . Во время поисков аргона Рамзи также впервые удалось выделить гелий при нагревании минерала клевеита . В 1902 году, приняв доказательства наличия элементов гелия и аргона, Дмитрий Менделеев включил эти благородные газы в группу 0 в свое расположение элементов, которое позже стало периодической таблицей.

Рамзи продолжил поиск 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 , «незнакомец»), соответственно. . Радон был впервые идентифицирован в 1898 году Фридрихом Эрнстом Дорном и был назван эманацией радия , но не считался благородным газом до 1904 года, когда было обнаружено, что его характеристики аналогичны характеристикам других благородных газов. Рэлей и Рамзи получили Нобелевские премии 1904 года 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 не был известен с уверенностью, - это нечто совершенно уникальное в истории химии. по сути являясь достижением в науке особого значения ".

Открытие благородных газов помогло в развитии общего понимания атомной структуры . В 1895 году французский химик Анри Муассан попытался провести реакцию между фтором , наиболее электроотрицательным элементом, и аргоном, одним из благородных газов, но безуспешно. Ученые не могли получить соединения аргона до конца 20 века, но эти попытки помогли разработать новые теории атомной структуры. Узнав из этих экспериментов, датский физик Нильс Бор в 1913 году предположил, что электроны в атомах расположены в оболочках, окружающих ядро , и что для всех благородных газов, кроме гелия, внешняя оболочка всегда содержит восемь электронов. В 1916 году Гилберт Н. Льюис сформулировал правило октетов, согласно которому октет электронов во внешней оболочке был наиболее стабильным устройством для любого атома; такое расположение привело к тому, что они не вступали в реакцию с другими элементами, поскольку им больше не требовалось электронов для завершения своей внешней оболочки.

В 1962 году Нил Бартлетт открыл первое химическое соединение благородного газа - гексафтороплатинат ксенона . Вскоре были открыты соединения других благородных газов: в 1962 г. для радона дифторид радона ( RnF
2
), который был идентифицирован радиоактивными индикаторами, а в 1963 году для криптона, дифторид криптона ( KrF
2
). О первом стабильном соединении аргона было сообщено в 2000 году, когда фторгидрид аргона (HArF) был образован при температуре 40 К (-233,2 ° C; -387,7 ° F).

В октябре 2006 года ученые из Объединенного института ядерных исследований и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса успешно создали синтетический оганессон , седьмой элемент в группе 18, путем бомбардировки калифорния кальцием.

Физические и атомные свойства

Имущество Гелий Неон Аргон Криптон Ксенон Радон Оганессон
Плотность (г / дм 3 ) 0,1786 0,9002 1,7818 3,708 5,851 9,97 7200 (прогноз)
Точка кипения (K) 4.4 27,3 87,4 121,5 166,6 211,5 450 ± 10 (прогноз)
Точка плавления (K) - 24,7 83,6 115,8 161,7 202,2 325 ± 15 (прогноз)
Энтальпия испарения (кДж / моль) 0,08 1,74 6.52 9,05 12,65 18,1 -
Растворимость в воде при 20 ° C (см 3 / кг) 8,61 10,5 33,6 59,4 108,1 230 -
Атомный номер 2 10 18 36 54 86 118
Атомный радиус (расчетный) ( пм ) 31 год 38 71 88 108 120 -
Энергия ионизации (кДж / моль) 2372 2080 г. 1520 1351 1170 1037 839 (прогноз)
Электроотрицательность 4,16 4,79 3,24 2,97 2,58 2,60 -

Благородные газы обладают слабой межатомной силой и, следовательно, имеют очень низкие температуры плавления и кипения . Все они являются одноатомными газами при стандартных условиях , включая элементы с большей атомной массой, чем многие обычно твердые элементы. Гелий обладает несколькими уникальными качествами по сравнению с другими элементами: его температура кипения при 1 атм ниже, чем у любого другого известного вещества; это единственный элемент, который, как известно, проявляет сверхтекучесть ; и это единственный элемент, который не может быть затвердевшим путем охлаждения при атмосферном давлении (эффект, объясняемый квантовой механикой, поскольку его энергия нулевой точки слишком высока, чтобы допустить замерзание) - давление 25 стандартных атмосфер (2500  кПа ; 370  фунтов на квадратный дюйм ) должно Применяется при температуре 0,95 К (-272,200 ° C; -457,960 ° F) для превращения его в твердое тело, в то время как при комнатной температуре требуется давление около 115 кбар. Благородные газы, вплоть до ксенона, имеют несколько стабильных изотопов . Радон не имеет стабильных изотопов ; его самый долгоживущий изотоп, 222 Rn , имеет период полураспада 3,8 дня и распадается с образованием гелия и полония , которые в конечном итоге распадаются на свинец . Температуры плавления и кипения увеличиваются по группе.

График зависимости энергии ионизации от атомного номера, показывающий резкие пики для атомов благородных газов.
Это график зависимости потенциала ионизации от атомного номера. Обозначенные благородные газы имеют наибольший потенциал ионизации для каждого периода.

Атомы благородных газов, как и атомы в большинстве групп, неуклонно увеличиваются в атомном радиусе от одного периода к другому из-за увеличения количества электронов. Размер атома связан с несколькими свойствами. Например, потенциал ионизации уменьшается с увеличением радиуса, потому что валентные электроны в более крупных благородных газах находятся дальше от ядра и, следовательно, не удерживаются вместе атомом так сильно. Благородные газы обладают наибольшим потенциалом ионизации среди элементов каждого периода, что отражает стабильность их электронной конфигурации и связано с их относительной нехваткой химической активности. Однако некоторые из более тяжелых благородных газов имеют достаточно малые потенциалы ионизации, чтобы их можно было сопоставить с потенциалами других элементов и молекул . Понимание того, что ксенон обладает потенциалом ионизации, аналогичным потенциалу молекулы кислорода , побудило Бартлетта попытаться окислить ксенон с помощью гексафторида платины , окислителя, который, как известно, достаточно силен, чтобы реагировать с кислородом. Благородные газы не могут принимать электрон для образования стабильных анионов ; то есть они имеют отрицательное сродство к электрону .

В макроскопических физических свойствах благородных газов преобладают слабые силы Ван-дер-Ваальса между атомами. Сила притяжения увеличивается с увеличением размера атома в результате увеличения поляризуемости и уменьшения потенциала ионизации. Это приводит к систематическим групповым тенденциям: по мере того, как каждый спускается по группе 18, атомный радиус, а вместе с ним и межатомные силы, увеличивается, что приводит к увеличению температуры плавления, кипения, энтальпии испарения и растворимости . Увеличение плотности происходит из-за увеличения атомной массы .

Благородные газы - почти идеальные газы при стандартных условиях, но их отклонения от закона идеального газа дали важные ключи для изучения межмолекулярных взаимодействий . Потенциал Леннард-Джонс , часто используется для моделирования межмолекулярных взаимодействий, был выведен в 1924 годом Джон Леннард-Джонс из экспериментальных данных по аргону до развития квантовой механики при условии , что инструменты для понимания межмолекулярных сил из первых принципов . Теоретический анализ этих взаимодействий стал податливым, потому что благородные газы одноатомны, а атомы сферические, что означает, что взаимодействие между атомами не зависит от направления или изотропно .

Химические свойства

Оболочечная диаграмма атома с неоновым ядром, 2 электрона во внутренней оболочке и 8 во внешней оболочке.
Неон, как и все благородные газы, имеет полноценную валентную оболочку . Благородные газы имеют восемь электронов во внешней оболочке, за исключением гелия, у которого их два.

Благородные газы не имеют цвета, запаха, вкуса и негорючи при стандартных условиях. Когда-то они были обозначены как группа 0 в периодической таблице, потому что считалось, что их валентность равна нулю, что означает, что их атомы не могут объединяться с атомами других элементов с образованием соединений . Однако позже было обнаружено, что некоторые из них действительно образуют соединения, из-за чего эта этикетка вышла из употребления.

Электронная конфигурация

Как и другие группы, члены этого семейства демонстрируют закономерности в своей электронной конфигурации , особенно на внешних оболочках, что приводит к тенденциям в химическом поведении:

Z Элемент Кол-во электронов / оболочка
2 гелий 2
10 неон 2, 8
18 аргон 2, 8, 8
36 криптон 2, 8, 18, 8
54 ксенон 2, 8, 18, 18, 8
86 радон 2, 8, 18, 32, 18, 8
118 Оганессон 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 (прогноз)

Благородные газы имеют электронные оболочки с полной валентностью . Валентные электроны - это самые внешние электроны атома и обычно единственные электроны, которые участвуют в химической связи . Атомы с полной валентной электронной оболочкой чрезвычайно стабильны и, следовательно, не имеют тенденции к образованию химических связей и имеют небольшую тенденцию приобретать или терять электроны. Однако более тяжелые благородные газы, такие как радон, менее прочно удерживаются электромагнитной силой, чем более легкие благородные газы, такие как гелий, что облегчает удаление внешних электронов из тяжелых благородных газов.

В результате полной оболочки благородные газы могут использоваться в сочетании с обозначением электронной конфигурации для формирования обозначения благородного газа . Для этого сначала записывается ближайший благородный газ, который предшествует рассматриваемому элементу, а затем электронная конфигурация продолжается с этой точки. Например, электронное обозначение фосфора - 1s 2  2s 2  2p 6  3s 2  3p 3 , а обозначение благородных газов - [Ne] 3s 2  3p 3 . Эта более компактная запись упрощает идентификацию элементов и короче, чем запись полной записи атомных орбиталей .

Благородные газы пересекают границу между блоками - гелий является s-элементом, тогда как остальные члены являются p-элементами, что необычно для групп ИЮПАК. Большинство, если не все другие группы IUPAC содержат элементы из одного блока каждая.

Соединения

Модель плоской химической молекулы с синим центральным атомом (Xe), симметрично связанным с четырьмя периферийными атомами (фтор).
Структура XeF
4
, одно из первых обнаруженных соединений благородных газов

Благородные газы показывают чрезвычайно низкую химическую активность ; следовательно, образовалось всего несколько сотен соединений благородных газов . Нейтральные соединения, в которых гелий и неон участвуют в химических связях , не образовались (хотя некоторые гелийсодержащие ионы существуют и есть некоторые теоретические доказательства наличия нескольких нейтральных гелийсодержащих ионов), в то время как ксенон, криптон и аргон показали только малая реактивность. Реакционная способность соответствует порядку Ne <He <Ar <Kr <Xe <Rn ≪ Og.

В 1933 году Линус Полинг предсказал, что более тяжелые благородные газы могут образовывать соединения с фтором и кислородом. Он предсказал существование гексафторида криптона ( KrF
6
) и гексафторид ксенона ( XeF
6
), предположил, что XeF
8
мог существовать как нестабильное соединение, и предположил, что ксениновая кислота может образовывать перксенатные соли. Эти прогнозы оказались в целом точными, за исключением того, что XeF
8
теперь считается термодинамически и кинетически нестабильным.

Соединения ксенона - самые многочисленные из образовавшихся соединений благородных газов. Большинство из них имеют атом ксенона в степени окисления +2, +4, +6 или +8, связанный с сильно электроотрицательными атомами, такими как фтор или кислород, как в дифториде ксенона ( XeF
2
), тетрафторид ксенона ( XeF
4
), гексафторид ксенона ( XeF
6
), тетроксид ксенона ( XeO
4
) и перксенат натрия ( Na
4
XeO
6
). Ксенон реагирует с фтором с образованием многочисленных фторидов ксенона в соответствии со следующими уравнениями:

Xe + F 2 → XeF 2
Xe + 2F 2 → XeF 4
Xe + 3F 2 → XeF 6

Некоторые из этих соединений нашли применение в химическом синтезе в качестве окислителей ; XeF
2
, в частности, имеется в продаже и может использоваться в качестве фторирующего агента. По состоянию на 2007 год было идентифицировано около пятисот соединений ксенона, связанных с другими элементами, включая ксеноновые соединения (содержащие ксенон, связанный с углеродом), и ксенон, связанный с азотом, хлором, золотом, ртутью и сам ксенон. Соединения ксенона, связанные с бором, водородом, бромом, йодом, бериллием, серой, титаном, медью и серебром, также наблюдались, но только при низких температурах в матрицах благородных газов или в сверхзвуковых струях благородных газов.

Радон более активен, чем ксенон, и легче образует химические связи, чем ксенон. Однако из-за высокой радиоактивности и короткого периода полураспада изотопов радона на практике образовалось лишь несколько фторидов и оксидов радона. Радон более склонен к металлическим свойствам, чем ксенон; дифторид RnF 2 является высокоионным, а катионный Rn 2+ образуется в растворах фторида галогенов. По этой причине кинетические помехи затрудняют окисление радона за пределами состояния +2. Это удалось сделать только в экспериментах с радиоактивными индикаторами, вероятно, с образованием RnF 4 , RnF 6 и RnO 3 .

Криптон менее реакционноспособен, чем ксенон, но сообщалось о нескольких соединениях с криптоном в степени окисления +2. Дифторид криптона является наиболее заметным и легко охарактеризованным. В экстремальных условиях криптон реагирует с фтором с образованием KrF 2 в соответствии со следующим уравнением:

Kr + F 2 → KrF 2

Соединения, в которых криптон образует одинарную связь с азотом и кислородом, также были охарактеризованы, но они стабильны только ниже -60 ° C (-76 ° F) и -90 ° C (-130 ° F) соответственно.

Атомы криптона, химически связанные с другими неметаллами (водород, хлор, углерод), а также с некоторыми поздними переходными металлами (медью, серебром, золотом) также наблюдались, но только либо при низких температурах в матрицах благородных газов, либо в сверхзвуковых струях благородных газов. . Подобные условия были использованы для получения первых нескольких соединений аргона в 2000 году, таких как фторгидрид аргона (HArF), а также некоторых соединений, связанных с поздними переходными металлами, медью, серебром и золотом. По состоянию на 2007 год неизвестны стабильные нейтральные молекулы, содержащие ковалентно связанный гелий или неон.

Экстраполяция периодических тенденций предсказывает, что оганессон должен быть наиболее реактивным из благородных газов; более сложные теоретические трактовки указывают на большую реакционную способность, чем предполагают такие экстраполяции, до такой степени, что применимость дескриптора «благородный газ» подвергается сомнению. Ожидается, что Оганессон будет похож на кремний или олово в группе 14: реактивный элемент с общим +4 и менее распространенным +2 состояниями, который при комнатной температуре и давлении является не газом, а твердым полупроводником. Для подтверждения этих прогнозов потребуется эмпирическое / экспериментальное тестирование.

Благородные газы, включая гелий, могут образовывать стабильные молекулярные ионы в газовой фазе. Самым простым из них является молекулярный ион гидрида гелия , HeH + , открытый в 1925 году. Поскольку он состоит из двух самых распространенных элементов во Вселенной, водорода и гелия, считается, что он естественным образом встречается в межзвездной среде , хотя это и не произошло. обнаружено еще. Помимо этих ионов известно много нейтральных эксимеров благородных газов. Это такие соединения, как ArF и KrF, которые стабильны только в возбужденном электронном состоянии ; некоторые из них находят применение в эксимерных лазерах .

В дополнение к соединениям, в которых атом благородного газа участвует в ковалентной связи , благородные газы также образуют нековалентные соединения. В клатратах , впервые описанные в 1949 году, состоят из благородного атома газа , захваченного внутри полостей кристаллических решеток некоторых органических и неорганических веществ. Существенным условием их образования является то, что гостевые атомы (благородный газ) должны иметь соответствующий размер, чтобы поместиться в полостях кристаллической решетки-хозяина. Например, аргон, криптон и ксенон образуют клатраты с гидрохиноном , а гелий и неон - нет, потому что они слишком малы или недостаточно поляризуемы, чтобы их удерживать. Неон, аргон, криптон и ксенон также образуют клатратные гидраты, где благородный газ задерживается во льду.

Скелетная структура бакминстерфуллерена с дополнительным атомом в центре.
Эндоэдральное соединение фуллерена, содержащее атом благородного газа

Благородные газы могут образовывать эндоэдральные соединения фуллерена , в которых атом благородного газа заключен внутри молекулы фуллерена . В 1993 году было обнаружено, что когда C
60
, сферическая молекула, состоящая из 60   атомов углерода , подвергается воздействию благородных газов под высоким давлением, таких комплексов , как He @ C
60
могут быть сформированы ( обозначение @ указывает, что He содержится внутри C
60
но не связаны с ним ковалентно). По состоянию на 2008 г. созданы эндоэдральные комплексы с гелием, неоном, аргоном, криптоном и ксеноном. Эти соединения нашли применение при изучении структуры и реакционной способности фуллеренов с помощью ядерного магнитного резонанса атома благородного газа.

Схематическое изображение связывающих и разрыхляющих орбиталей (см. Текст)
Склеивание в XeF
2
в соответствии с моделью связи 3 центра и 4 электронов

Соединения благородных газов, такие как дифторид ксенона ( XeF
2
) считаются гипервалентными, поскольку нарушают правило октетов . Связывание в таких соединениях можно объяснить с помощью модели трехцентровой четырехэлектронной связи . Эта модель, впервые предложенная в 1951 году, рассматривает связь трех коллинеарных атомов. Например, склеивание в XeF
2
описывается набором из трех молекулярных орбиталей (МО), производных от p-орбиталей на каждом атоме. Связывание является результатом комбинации заполненной p-орбитали от Xe с одной наполовину заполненной p-орбиталью от каждого атома F , что приводит к заполненной связывающей орбитали, заполненной несвязывающей орбитали и пустой антисвязывающей орбитали. Высшей занятой молекулярной орбитали локализована на двух концевых атомов. Это представляет собой локализацию заряда, чему способствует высокая электроотрицательность фтора.

Химический состав более тяжелых благородных газов, криптона и ксенона, хорошо известен. Химия более легких из них, аргона и гелия, все еще находится на начальной стадии, а соединение неона еще предстоит идентифицировать.

Возникновение и производство

Содержание благородных газов во Вселенной уменьшается по мере увеличения их атомных номеров . Гелий - самый распространенный элемент во Вселенной после водорода с массовой долей около 24%. Большая часть гелия во Вселенной образовалась во время нуклеосинтеза Большого взрыва , но количество гелия неуклонно растет из-за слияния водорода в звездном нуклеосинтезе (и, в очень небольшой степени, альфа-распада тяжелых элементов). Изобилие на Земле следует разным тенденциям; например, гелий является третьим по распространенности благородным газом в атмосфере. Причина в том, что в атмосфере нет первичного гелия; из-за малой массы атома гелий не может удерживаться гравитационным полем Земли . Гелий на Земле образуется в результате альфа-распада тяжелых элементов, таких как уран и торий, обнаруженных в земной коре , и имеет тенденцию накапливаться в месторождениях природного газа . Обилие аргона, с другой стороны, увеличивается в результате бета - распада из калия-40 , также содержится в земной коре, с образованием аргона-40 , который является наиболее распространенным изотопом аргона на Земле , несмотря на относительно редко встречается в Солнечной системе . Этот процесс является основой калий-аргонного метода датирования . Ксенон имеет неожиданно низкое содержание в атмосфере, что было названо проблемой отсутствия ксенона ; одна из теорий заключается в том, что недостающий ксенон может быть захвачен минералами внутри земной коры. После открытия диоксида ксенона исследования показали, что Xe может заменять Si в кварце . Радон образуется в литосфере в результате альфа-распада радия. Он может проникать в здания через трещины в их фундаменте и накапливаться в плохо проветриваемых помещениях. Радон из-за своей высокой радиоактивности представляет значительную опасность для здоровья; только в Соединенных Штатах от него ежегодно умирает около 21 000 случаев рака легких . Оганессон не встречается в природе, а создается вручную учеными.

Избыток Гелий Неон Аргон Криптон Ксенон Радон
Солнечная система (за каждый атом кремния) 2343 2,148 0,1025 5,515 × 10 −5 5,391 × 10 −6 -
Атмосфера Земли (объемная доля в миллионных долях ) 5.20 18.20 9340,00 1,10 0,09 (0,06–18) × 10 −19
Магматическая порода (массовая доля в ppm) 3 × 10 −3 7 × 10 −5 4 × 10 −2 - - 1,7 × 10 −10
Газ Цена 2004 г. ( долл. / М 3 )
Гелий (технический) 4,20–4,90
Гелий (лабораторный) 22.30–44.90
Аргон 2,70–8,50
Неон 60–120
Криптон 400–500
Ксенон 4000–5000

Для крупномасштабного использования гелий извлекается путем фракционной перегонки из природного газа, который может содержать до 7% гелия.

Неон, аргон, криптон и ксенон получают из воздуха методами сжижения газов для перевода элементов в жидкое состояние и фракционной перегонкой для разделения смесей на составные части. Гелий обычно получают путем отделения его от природного газа , а радон выделяют в результате радиоактивного распада соединений радия. На цены благородных газов влияет их естественное содержание: аргон является самым дешевым, а ксенон самым дорогим. В качестве примера в соседней таблице приведены цены 2004 г. в США для лабораторных количеств каждого газа.

Приложения

Большой цельный цилиндр с отверстием в центре и прикрепленной к нему рейкой.
Жидкий гелий используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в современных МРТ сканерах.

Благородные газы имеют очень низкие температуры кипения и плавления, что делает их полезными в качестве криогенных хладагентов . В частности, жидкий гелий , который кипит при 4,2 К (-268,95 ° C; -452,11 ° F), используется для сверхпроводящих магнитов , таких как те, которые необходимы для получения изображений ядерного магнитного резонанса и ядерного магнитного резонанса . Жидкий неон, хотя он не достигает таких низких температур, как жидкий гелий, также находит применение в криогенике, поскольку он имеет более чем в 40 раз большую холодопроизводительность, чем жидкий гелий, и более чем в три раза больше, чем жидкий водород.

Гелий используется как компонент дыхательных газов для замены азота из-за его низкой растворимости в жидкостях, особенно в липидах . Газы поглощаются кровью и тканями тела под давлением, как при подводном плавании с аквалангом , что вызывает обезболивающий эффект, известный как азотный наркоз . Из-за его пониженной растворимости небольшое количество гелия попадает в клеточные мембраны , и когда гелий используется для замены части дыхательных смесей, таких как тримикс или гелиокс , достигается уменьшение наркотического действия газа на глубине. Сниженная растворимость гелия дает дополнительные преимущества при состоянии, известном как декомпрессионная болезнь или изгибы тела . Уменьшение количества растворенного газа в теле означает, что при снижении давления во время всплытия образуется меньше пузырьков газа. Другой благородный газ, аргон, считается лучшим вариантом для использования в качестве газа для надувания сухого костюма при подводном плавании с аквалангом. Гелий также используется в качестве заполняющего газа в топливных стержнях ядерных реакторов.

Дирижабль в форме сигары с надписью «Good Year» на боку.
Goodyear Дирижабль

После катастрофы в Гинденбурге в 1937 году гелий заменил водород в качестве подъемного газа в дирижаблях и воздушных шарах из-за его легкости и негорючести, несмотря на снижение плавучести на 8,6%.

Во многих случаях благородные газы используются для создания инертной атмосферы. Аргон используется в синтезе чувствительных к воздуху соединений , чувствительных к азоту. Твердый аргон также используется для исследования очень нестабильных соединений, таких как реакционноспособные промежуточные соединения , путем улавливания их в инертной матрице при очень низких температурах. Гелий используется в качестве среды-носителя в газовой хроматографии , в качестве газа-наполнителя для термометров и в устройствах для измерения излучения, таких как счетчик Гейгера и пузырьковая камера . Гелий и аргон обычно используются для защиты сварочной дуги и окружающего основного металла от атмосферы во время сварки и резки, а также в других металлургических процессах и при производстве кремния для полупроводниковой промышленности.

Удлиненная стеклянная сфера с двумя металлическими стержневыми электродами внутри, обращенными друг к другу.  Один электрод затупился, а другой заострен.
Ксеноновая лампа с короткой дугой мощностью 15000 Вт, используемая в проекторах IMAX

Благородные газы обычно используются в освещении из-за отсутствия химической активности. Аргон, смешанный с азотом, используется в качестве газа-наполнителя для ламп накаливания . Криптон используется в высокоэффективных лампах, которые имеют более высокие цветовые температуры и большую эффективность, потому что он снижает скорость испарения нити накала больше, чем аргон; В галогенных лампах , в частности, используется криптон, смешанный с небольшими количествами соединений йода или брома . Благородные газы светятся отличительными цветами при использовании внутри газоразрядных ламп , таких как « неоновые огни ». Эти огни называют в честь неона, но часто содержат другие газы и люминофор , которые добавляют различные оттенки к оранжево-красному цвету неона. Ксенон обычно используется в ксеноновых дуговых лампах , которые благодаря своему почти непрерывному спектру , напоминающему дневной свет, находят применение в кинопроекторах и в автомобильных фарах.

Благородные газы используются в эксимерных лазерах , которые основаны на короткоживущих электронно-возбужденных молекулах, известных как эксимеры . Эксимеры, используемые для лазеров, могут быть димерами благородных газов, такими как Ar 2 , Kr 2 или Xe 2 , или, чаще, благородный газ объединен с галогеном в эксимерах, таких как ArF, KrF, XeF или XeCl. Эти лазеры излучают ультрафиолетовый свет, который благодаря своей короткой длине волны (193 нм для ArF и 248 нм для KrF) позволяет получать изображения с высокой точностью. Эксимерные лазеры находят множество промышленных, медицинских и научных применений. Они используются для микролитографии и микротехнологии , которые необходимы для изготовления интегральных схем , а также для лазерной хирургии , включая лазерную ангиопластику и хирургию глаза .

Некоторые благородные газы имеют прямое применение в медицине. Гелий иногда используется для облегчения дыхания больных астмой . Ксенон используется в качестве анестетика из-за его высокой растворимости в липидах, что делает его более эффективным, чем обычная закись азота , и потому, что он легко выводится из организма, что приводит к более быстрому выздоровлению. Ксенон находит применение в медицинской визуализации легких с помощью гиперполяризованной МРТ. Радон, который очень радиоактивен и доступен только в незначительных количествах, используется в лучевой терапии .

Благородные газы, особенно ксенон, в основном используются в ионных двигателях из-за их инертности. Поскольку ионные двигатели не приводятся в движение химическими реакциями, химически инертное топливо желательно для предотвращения нежелательной реакции между топливом и чем-либо еще на двигателе.

Оганессон слишком нестабилен для работы и не имеет другого применения, кроме исследований.

Цвет разряда

Цвета и спектры (нижний ряд) электрического разряда в благородных газах; только вторая строка представляет чистые газы.
Стеклянная трубка сияет фиолетовым светом с намотанной на нее проволокой Стеклянная трубка сияет оранжевым светом с намотанной на нее проволокой Стеклянная трубка сияет фиолетовым светом с намотанной на нее проволокой Стеклянная трубка сияет белым светом с намотанной на нее проволокой Стеклянная трубка сияет синим светом с намотанной на нее проволокой
Стеклянная трубка светится красным светом Стеклянная трубка сияет красновато-оранжевым светом Стеклянная трубка сияет фиолетовым Стеклянная трубка сияет голубовато-белым светом Стеклянная трубка сияет голубовато-фиолетовым светом
Светящиеся красные газоразрядные трубки в форме букв H и e Оранжевые газоразрядные трубки с подсветкой в ​​форме букв N и e Светящиеся голубые газоразрядные трубки в форме букв A и r Освещенные белые газоразрядные трубки в форме букв K и r Газоразрядные трубки с подсветкой фиолетового цвета в форме букв X и e
Линейчатый спектр гелия Линейчатый спектр неона Линейчатый спектр аргона Криптоновый линейчатый спектр Ксеноновый линейчатый спектр
Гелий Неон Аргон Криптон Ксенон

Цвет излучения газового разряда зависит от нескольких факторов, в том числе от следующих:

  • параметры разряда (локальное значение плотности тока и электрического поля , температура и т. д. - обратите внимание на изменение цвета вдоль разряда в верхнем ряду);
  • чистота газа (даже небольшая фракция некоторых газов может повлиять на цвет);
  • материал оболочки газоразрядной трубки - обратите внимание на подавление УФ и синих компонентов в трубках нижнего ряда из толстого бытового стекла.

Смотрите также

Примечания

использованная литература