Благородные газы

РЕФЕРАТ по химии НА ТЕМУ:

благородные газы

Содержание

Основные свойства. История открытия. 3

Физические свойства. Химические свойства. 7

Применение 10

Тестовые задания для повторения и контроля 12

Список использованной литературы 14

Основные свойства. История открытия.

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).

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».

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.

Физические свойства. Химические свойства.

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

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 XeF₄. Тетрафторид ксенона оказался вполне устойчивым соединением, молекула его имеет форму квадрата с ионами фтора по углам и ксеноном в центре.

Интересно в химии ксенона то, что, меняя условия реакции, можно получить не только XeF₄, но и другие фториды — XeF₂, XeF₆.

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.

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 ХеF₄ в кислой среде ведет к образованию окиси ксенона ХеО₃ — бесцветных, расплывающихся на воздухе кристаллов. Молекула ХеО₃ 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 H₆XeO₆ образуется в результате гидролиза XeF₆ при 0° С:

XeF₆ + 6H₂О = 6HF + H₆XeO₆

Интересна изученная недавно реакция дифторида ксенона с безводной НС1O₄. В результате этой реакции получено новое соединение ксенона ХеСlO₄ — 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: XeF₂ · SbF₅, ХеF₆ · AsF₃, ХеF₆ · ВF₃ и ХеF₂ · 2ТаF₅.

Вскоре после открытия Бартлетта было замечено, что фторид ксенона (VI) реагирует со стеклом:

2XeF6 + SiO2 = 2XeOF4 + SiF4

Реакция протекает и дальше, конечным продуктом является опять же кислородное соединение ХеО_3.

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.

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•6H₂O, Rn•2C₆H₅OH. Реагирует с хлором с образованием хлорида RnCl₄.

Для гелия, неона и аргона стабильные фторидные соединения пока неизвестны.

Применение

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 также 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 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 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.

Тестовые задания для повторения и контроля

Выберите правильный вариант ответа:

1. К благородным газам относятся все, кроме:

А. Ксенон Б. Криптон В. Радий Г. Гелий

1. Максимальная валентность благородных газов равна:

А. 1 Б. 8 В.0 Г. 7

1. Первым из благородных газов был открыт:

А. Аргон Б. Неон В. Криптон Г. Гелий

1. Сверкающая желтая линия спектра характерна для:

А. Гелий Б. Аргон В. Радон Г. Ксенон

1. В каком году был открыт первый из благородных газов?

А. 1868 Б. 1894 В. 1900 Г. 1962

1. Кто первым ввел в Периодическую систему нулевую группу?

А. Релей Б. Рамзай В. Менделеев Г. Бартлетт

1. Какой ученый смог впервые получить соединение одного из благородных газов с другим веществом?

А. Хуторецкий Б. Рамзай В. Классен Г. Бартлетт

1. Какой благородный газ он использовал?

А. Аргон Б. Ксенон В. Криптон Г. Неон

1. С каким элементом удалось получить наибольшее количество соединений?

А. Хлор Б. Кремний В. Фтор Г. Кислород

1. Для какого из этих газов стабильные фторидные соединения пока не известны?

А. Ксенон Б. Радон В. Аргон Г. Криптон

1. В какую группу перенесли благородные газы после того, как была доказана их способность вступать в химические реакции?

А. I Б. VIII (главная подгруппа) В. VII Г. VIII (побочная подгруппа)

1. Какой газ при использовании в газоразрядных трубках дает красновато-оранжевое свечение?

А. Неон Б. Гелий В. Радон Г. Криптон

1. Какой газ используется в основном в медицине?

А. Неон Б. Гелий В. Радон Г. Криптон

1. Какой газ используется для определения эталона в системе СИ?

А. Неон Б. Гелий В. Радон Г. Криптон

1. Какой газ был впервые открыт на Солнце и лишь затем на Земле?

А. Неон Б. Гелий В. Радон Г. Криптон

Список использованной литературы

1. Большой энциклопедический словарь. Химия. – М, 1998.

1. Крылов В.К., Кукушкин Ю.Н., Панина Н.С. Толковый химический словарь для всех. – М, 1999.

1. Кукушкин Ю.Н. Реакционная способность благородных газов//Соросовский образовательный журнал, том 7, №4, с. 52-58. – М, 2001.