Благородные газы. 
Химия элементов

Распространение в природе и получение благородных газов.

В природе встречаются исключительно в свободном состоянии: в воздухе, в минеральных водах, в природных газах (газы нефтяных скважин, вулканические газы).

Гелий можно обнаружить во всех минералах, обладающих радиоактивными свойствами, радон содержится в минеральных водах (радоновые воды). Различить их можно только по спектрам.

Все благородные газы присутствуют в атмосфере. Содержание аргона (0,9% об.) и неона (2 • 10 ^_3%) делает эти два элемента более распространенными, чем такие обычные элементы как мышьяк и висмут.

Ксенон и радон — наиболее редкие из элементов этой группы. Радон является продуктом радиоактивного распада и сам нестабилен.

Гелий — наиболее распространенный элемент в космосе, присутствует в атмосфере Солнца, звезд, метеоритах.

В промышленности гелий получают при глубоком охлаждении природных газов. При этом все компоненты газа замораживаются, а гелий остается в виде газа.

Физические и химические свойства.

В 1938 г. Петр Леонидович Капица открыл уникальные свойства жидкого гелия при температуре ниже 2,172 К. Выше этой температуры существует Не I, а ниже — Не II:

Не II, по сравнению с Не I, обладает :

• — сверхтеплопроводпостыо (она в несколько миллионов раз выше, чем у Не I);
• — сверхтекучестью;
• — сверхпроводимостью (его проводимость в 800 раз больше проводимости меди).

В точке перехода также резко изменяются теплоемкость, сжимаемость, поверхностное натяжение и другие физические свойства.

С 1968 г. были получены комплексные соединения аргона и радона с Н₂0, H₂S, S0₂, НС1, НВг, фенолом, ацетоном, например:

Атом инертного газа, имея четыре пары электронов, проявляет свойства донора, а водород присоединяемых молекул — свойства акцептора.

В 1962 г. Н. Бартлетту впервые удалось получить соединение ксенона ионного характера: Xe⁺[PtF₆]~.

Начались поиски новых соединений, и они были получены.

Принципиальная возможность получения таких соединений опирается на изучение ионизационных потенциалов ряда элементов (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Ионизационные потенциалы некоторых элементов (В)

Если возможно оторвать один электрон от азота или хлора, то сильный окислитель вполне может оторвать один электрон от криптона, ксенона, радона, переведя их в ионы Kr⁺, Хе⁺, Rn⁺. Оторвать большее число электронов вряд ли возможно, судя по ионизационным потенциалам второй ступени (табл. 8.3).

Таблица 83

Ионизационные потенциалы второй ступени для N₂h Хе, В.

Возможно образование соединений за счет ковалентных связей, если перевести атомы инертных газов в возбужденное состояние (кроме гелия и неона, у которых нет свободных ^/-орбиталей):

При частичном возбуждении возможны валентности (только четные): +2, +4, +6 и максимально +8.

Возбуждение легче всего осуществить для Rn и труднее всего для Аг. Но, так как Rn радиоактивен (Г_½ = 3,82 дня), то впервые соединения были получены с ксеноном: Хе⁺[PtF₆]^- по аналогии с 0⁺[PtF₆]^_. В настоящее время разработана в основном химия ксенона, в некоторой степени — криптона и радона.

Хе, Кг, Rn реагируют только со фтором и проявляют степени окисления от 2 до 8. Получены фториды:

Молекулы типа XeF₂ имеют линейное строение, XeF₄ — форму квадрата, XeF₆ — форму октаэдра.

Эти соединения получают смешиванием инертного газа со F₂ в отношениях от 1: 20 до 40: 1, при нагреве до 350—700°С, облучении УФ-лучами или действии электрического разряда (при давлении от 0,1 до 500 атм.) Аппаратура для синтеза изготавливается из кварца, никеля или монель-металла (сплав) с сапфировыми окошками для визуального наблюдения за ходом реакции.

Свойства соединений VIIIA-подгруппы. Изучена в основном только химия ксенона. Для фторидов ксенона характерны:

• — реакции гидролиза
• 2XeF₂ + 2Н₂0 = 2Хе + 4HF + 0₂ (реакция идет очень медленно)

Хе0₃ — взрывчатое вещество (опасно получать более 50 мг);

— реакции окисления-восстановления (все фториды ксенона — окислители):

— реакции диспропорционирования'.

— реакции комплексообразования:

Также известны комплексные соединения фторидов ксенона с золотом и сурьмой. Подобные комплексы получены для KrF₂.

В 1963 г. У. Гамильтону и К. Маккенези удалось выделить белое кристаллическое вещество Na₄Xe0_G-8H₂0 — перксенат натрия, где ксенон проявляет степень окисления +8.

Пара XeF₆ реагирует с кварцем с образованием жидкого оксофторида ксенона:

XeOF₄ — устойчивое соединение, бесцветная жидкость, легко подвергается гидролизу. Конечным продуктом гидролиза является ХеО_э (бесцветные нелетучие кристаллы).

XeF_fi и ХеО_э реагируют со фторидами щелочных металлов (кроме LiF) с образованием фтороксенатов и оксофторидов:

Кислотным характером обладают: XeF_e, XeOF₄, Хе (ОН)₆ (Н₆Хе0₆).

При взаимодействии оксида ксенона (У1) с гидроксидом бария образуется осадок (ксенат бария), напоминающий, но составу сульфат бария (BaS0₄):

Соединения ксенона (У1) обладают окислительно-восстановительной двойственностью (ОВД):

При взаимодействии с сильным восстановителем Xe (VI) — окислитель:

При действии очень сильных окислителей Xe (VI) — восстановитель:

Гелий, неон, аргон не вступают в химическое взаимодействие даже со фтором.

Применение. Гелий применяют для создания инертной атмосферы в технологических процессах, при консервировании пищевых продуктов. Жидкий Не как охладитель используют при низкотемпературных исследованиях. Плотность гелия вдвое больше, чем у водорода. Однако он намного безопаснее водорода, и поэтому используется для наполнения аэростатов и метеорологических зондов; кроме того, он применяется в космической технике. Смесь из 80% гелия и 20% кислорода используется в качестве искусственной атмосферы для дыхания водолазов. Преимуществом такой атмосферы является то, что гелий обладает гораздо меньшей растворимостью в крови, чем азот, и поэтому применение искусственной атмосферы позволяет избавить водолазов от «кессонной болезни» (вскипания крови из-за выделения растворенного в ней азота при быстром подъеме с больших глубин).

Гелий и аргон служат для создания инертной атмосферы при сварке. Кроме того, гелий применяется для создания защитной атмосферы при выращивании сверхчистых кристаллов германия и кремния.

Неон и аргон применяют в электротехнической промышленности для заполнения ламп, при прохождении электрического тока они светятся: неон — красным, аргон — синим светом (реклама, маяки, световые надписи).

Смесь аргона с азотом (Ar + N₂) используют для заполнения обычных электроламп, еще лучше для этих целей подходят Кг и Хе (из-за меньшей теплопроводности).

Аргоном заполняют счетчики Гейгера.

Радон находит применение в радиотерапии в качестве источника а-частиц при облучении в медицинских целях.