Что такое Инертные газы — благородные газы

Инертные газы отличаются химической неактивностью (отсюда и название). Тем не менее, в 1962 году Нил Барлетт показал, что все они при определённых условиях могут образовывать соединения (особенно охотно со фтором).

Наиболее «инертны»

  • неон
  • гелий:

чтобы заставить их вступить в реакцию, нужно применить много усилий, искусственно ионизируя каждый атом. Ксенон же, наоборот, слишком активен (для инертных газов) и реагирует даже при нормальных условиях, демонстрируя чуть ли не все возможные степени окисления (+1, +2, +4, +6, +8).

Радон тоже имеет высокую химическую активность (по сравнению с лёгкими инертными газами), но он радиоактивен и быстро распадается, поэтому подробное изучение его химических свойств осложнено, в отличие от ксенона.

Оганесон, несмотря на его принадлежность к 18-й группе периодической таблицы, может не являться инертным газом, так как предполагается, что при нормальных условиях в силу релятивистских эффектов, влияющих на движение электронов вблизи его ядра с высоким зарядом, он будет находиться в твёрдом состоянии

Физические свойства

Инертные газы бесцветны, прозрачны и не имеют запаха и вкуса. В небольшом количестве они присутствуют в воздухе и некоторых горных породах, а также в атмосферах некоторых планет-гигантов и планет земной группы.

Гелий является вторым (после водорода) по распространённости элементом во Вселенной, однако для Земли он является редким газом, который улетучился в космос во время образования планеты. Почти весь добываемый гелий является радиогенным продуктом происходящего в течение миллиардов лет в недрах Земли альфа-распада урана, тория и их дочерних элементов; лишь малая часть земного гелия сохранилась от эпохи образования Солнечной системы. Аналогично, по большей части радиогенным является и аргон, возникший в результате постепенного радиоактивного распада калия-40.

При нормальных условиях все элементы 18-й группы (кроме, возможно, оганесона) являются одноатомными газами. Их плотность растёт с увеличением номера периода. Плотность гелия при нормальных условиях примерно в 7 раз меньше плотности воздуха, тогда как радон почти в восемь раз тяжелее воздуха.

При нормальном давлении температуры плавления и кипения у любого благородного газа отличаются менее чем на 10 °C; таким образом, они остаются жидкими лишь в малом температурном интервале. Температуры сжижения и кристаллизации растут с ростом номера периода. Гелий под атмосферным давлением вообще не становится твёрдым даже при абсолютном нуле — единственный из всех веществ.

Биологическое действие
Инертные газы не обладают химической токсичностью. Однако атмосфера с увеличенной концентрацией инертных газов и соответствующим снижением концентрации кислорода может оказывать удушающее действие на человека, вплоть до потери сознания и смерти[5][6]. Известны случаи гибели людей при утечках инертных газов.

Ввиду высокой радиоактивности всех изотопов радона он является радиотоксичным. Наличие радона и радиоактивных продуктов его распада во вдыхаемом воздухе вызывает стохастические эффекты хронического облучения, в частности рак.

Инертные газы обладают биологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм и по силе этого воздействия располагаются по убыванию в следующем порядке (в сравнении приведены также азот и водород): Xe — Kr — Ar — N2 — H2 — Ne — He. При этом ксенон и криптон проявляют наркотический эффект при нормальном барометрическом давлении, аргон — при давлении свыше 0,2 МПа (2 атм), азот — свыше 0,6 МПа (6 атм), водород — свыше 2,0 МПа (20 атм). Наркотическое действие неона и гелия в опытах не регистрируются, так как под давлением раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД)

Применение благородных газов

Лёгкие инертные газы имеют очень низкие точки кипения и плавления, что позволяет их использовать в качестве холодильного агента в криогенной технике. Жидкий гелий, который кипит при 4,2 К (−268,95 °C), используется для получения сверхпроводимости — в частности, для охлаждения сверхпроводящих обмоток электромагнитов, применяемых, например, для магнитно-резонансной томографии и других приложений ядерного магнитного резонанса. Жидкий неон, хотя его температура кипения (–246,03 °C) и не достигает таких низких значений как у жидкого гелия, также находит применение в криогенике, потому что его охлаждающие свойства (удельная теплота испарения) более чем в 40 раз лучше, чем у жидкого гелия, и более чем в три раза лучше, чем у жидкого водорода.

Гелий, благодаря его пониженной растворимости в жидкостях, особенно в липидах, используется вместо азота как компонент дыхательных смесей для дыхания под давлением (например, при подводном плавании). Растворимость газов в крови и биологических тканях растёт под давлением. В случае использования для дыхания обычного воздуха или других азотсодержащих дыхательных смесей это может стать причиной эффекта, известного как азотное отравление.

Благодаря меньшей растворимости в липидах, атомы гелия задерживаются клеточной мембраной, и поэтому гелий используется в дыхательных смесях, таких как тримикс и гелиокс, уменьшая наркотический эффект газов, возникающий на глубине. Кроме того, пониженная растворимость гелия в жидкостях тела позволяет избежать кессонной болезни при быстром всплытии с глубины. Уменьшение остатка растворённого газа в теле означает, что во время всплытия образуется меньшее количество газовых пузырьков; это уменьшает риск газовой эмболии. Другой инертный газ, аргон, рассматривается как лучший выбор для использования в качестве прослойки к сухому костюму для подводного плавания.

Аргон, наиболее дешёвый среди инертных газов (его содержание в атмосфере составляет около 1 %), широко используется при сварке в защитных газах, резке и других приложениях для изоляции от воздуха металлов, реагирующих при нагреве с кислородом (и азотом), а также для обработки жидкой стали. Аргон также применяется в люминесцентных лампах для предотвращения окисления разогретого вольфрамового электрода. Также, ввиду низкой теплопроводности, аргон (а также криптон) используют для заполнения стеклопакетов.

После крушения дирижабля «Гинденбург» в 1937 году огнеопасный водород был заменен негорючим гелием в качестве заполняющего газа в дирижаблях и воздушных шарах, несмотря на снижение плавучести на 8,6 % по сравнению с водородом. Несмотря на замену, катастрофа оказала непропорционально большое влияние на всю область герметичных летательных аппаратов легче воздуха и подорвала планы по расширению этой области авиации более чем на полвека. Они стали популярнее только в последнее время, с развитием нановолоконных тканей и альтернативной энергетики.

Цвета и спектры благородных газов

Цвета и спектры благородных газов
Форма Гелий Неон Аргон Криптон Ксенон
В колбе под действием электричества
В прямой трубке
В трубках-литерах Периодической таблицы
Cпектр поглощения газа

хим. элементы VIII гр. периодич. системы: гелий (Не), неон (Ne), аргон (Аr), криптон (Кr), ксенон (Хе), радон (Rn). В природе образуются в результате разл. ядерных процессов. Воздух содержит 5,24*10-4% по объему Не, 1,82*10-3% Ne, 0,934% Аr, 1,14-10-4% Кг, 8,6*10-6% Хе, 6*10-20% Rn. Космос более богат благородными газами, чем атмосфера Земли. Благородные газы содержатся также в прир. газах и нек-рых минералах.

Атомы благородных газов имеют полностью заполненные внеш. электронные оболочки (s2 для Не и s2p6 для всех остальных), что обусловливает их низкую реакционную способность. Благородные газы — одноатомные газы без цвета и запаха (нек-рые их характеристики приведены в таблице; см. также статьи об отдельных представителях). Они относительно трудно сжижаются, но тем легче, чем больше их атомная масса.

Кристаллизуются в кубич. гранецентрированной решетке; пространств, группа Рт3т. Значения Сp° не зависят от т-ры до 6000 К и выше. Благородные газы адсорбируются на активном угле и цеолитах при низких т-рах; энтальпия адсорбции на угле (кДж/моль): Ne 4,72 (91 К), Аr 16,43 (168 К), Кr 22,24 (223 К), Хе 36,53 (248 К), Не 2,26 (ниже 50 К). Это св-во используется для разделения благородных газов и их очистки.

Благородные газы-хорошие диэлектрики (р 1018*1020 Ом*см). Они диамагнитны. Степень сжимаемости для Не и Ne больше 1, для Аr, Кr, Хе — меньше 1 (273 К; 0,1-30 МПа). Относительно хорошо раств. в воде (р-римость быстро возрастает от Не к Rn), лучше-во многих орг. р-рителях (бензин, толуол, спирт, бензол и др.). Жидкий Не — единств. в-во, затвердевающее только под давлением выше 2,5 МПа. Он обладает уникальным свойством — образует квантовую жидкость, т.е. жидкость, в которой в макроскопическом объеме проявляются квантовые свойства составляющих ее атомов.

Благородные газы (кроме Не) образуют неустойчивые соед. включения (клатраты) с водой и орг. р-рителями. Степень заполнения атомами благородных газов полостей кристаллич. решеток соответствующих соединений определяет состав образующегося клатрата, напр. Аr*4У, Кr*5,6У, Хе*3У (У = С6Н5ОН). Получены гидраты типа Х*5,75Н2О, У*2Х*17Н2О, где Х — атом благородного газа (кроме Не), У-СН3СОСН3, СНС13, СН3СООН, СС14 и др.

С фенолом и гидрохиноном выше 313 К образуются клатраты, близкие по составу к Х*3У [X = Аr, Кr, Хе; У = = С6Н4(ОН)2]. Разработан метод получения клатратов при невысоких давлениях газа — изоморфное соосаждение благородных газов с его аналогами в кристаллохим. отношении — H2S, НВr, СО2, НС1, SO2, CH4. Таким путем получены Х*6Н2О (X = Ne, Ar, Rn), X*2С6Н5СН3 (X = Хе, Rn), Rn -3C1C6H4OH и др. Различная способность благородных газов к образованию клатратов м.б. использована для их разделения и выделения из смесей.

К соед. включения относятся также т. наз. криптонаты, образующиеся при бомбардировке ряда твердых в-в (металлов, стекол, каучуков, пластиков, белков и др.) ионизованными атомами благородных газов при высоких т-pax и давлениях; атомы благородных газов диффундируют в твердое в-во на глубину 102-103 нм.

Способность благородных газов к образованию хим. соед. понижается от Хе к Аг (самым активным должен быть Rn, однако из-за высокой радиоактивности его св-ва изучены мало; известны лишь фториды). наиб. число соед. получено для Хе (фториды, хлориды, оксиды, оксофториды, фосфаты, перхлораты, фторсульфонаты, ксенаты, перксенаты и др.) В присут. катализаторов (к-т Льюиса) Хе энергично взаимод. уже при нормальных условиях с F2. Криптон реагирует только с элементарным фтором при низких т-рах. Различная реакционная способность благородных газов по отношению к F2 и нек-рым фторсодержащим окислителям м. б. использована для их разделения, утилизации радиоактивных изотопов и очистки. Напр., Хе с SbO2F6 взаимод. с образованием твердого нелетучего соед. XeF2*2SbF5, а Кr такого в-ва не образует.

Аналогичную р-цию с Rn предложено использовать для очистки атмосферы урановых рудников. Газы Rn и Хе окисляются также с помощью К2 [NiF6], Cs2 [CoF6], К3 [CuF6] и др. Для улавливания радиоактивных изотопов благородных газов, в основном 133Хе и 85Кr — продуктов деления U в ядерных реакторах, наряду с наиб. эффективными методами криогенной дистилляции и адсорбции на активном угле перспективны также избирательное поглощение хладонами, диффузионные методы, образование клатратов и других химических соединений.

Благородные газы образуют эксимеры под действием пучка электронов, УФ-излучения или электрич. разряда на их смеси с галогенами, О2, фторсодержащими соед. Молекулы эксимеров существуют только в электронно-возбужденном состоянии. Переход из возбужденного состояния в несвязанное сопровождается когерентным излучением в широкой области спектра (100-600 нм), что используется для генерации лазерного излучения. Лазерное действие получено для KrF* (248 нм), Kr2F* (420 нм), ХеС1* (308 нм), KrCl* (222 нм) и др.

Благородные газы (кроме Не) получают как побочные продукты при произ-ве N2 и О2 из воздуха. Гелий выделяют из подземных гелионосных газов. Используют благородные газы в кач-ве инертной среды в металлургии, атомной и ракетной технике, в произ-ве полупроводниковых материалов и др., как наполнитель в электронике, электротехнике и др., рабочее в-во в лазерной технике.

При повышенных давлениях благородные газы оказывают вредное действие на нервную систему (усиливающееся с увеличением атомной массы элемента), к-рое быстро проходит при вдыхании чистого воздуха.