18.12 Распространённость, получение и свойства благородных газов (Occurrence, Preparation, and Properties of the Noble Gases)¶
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- описывать свойства, способы получения и применение благородных газов.
Элементы группы 18 — благородные газы (noble gases): гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Название «благородные» закрепилось за ними потому, что эти элементы считали химически инертными из-за полностью заполненных валентных оболочек. В 1962 г. Нил Бартлетт (Neil Bartlett) из Университета Британской Колумбии доказал, что это предположение неверно.
Все благородные газы присутствуют в атмосфере в небольших количествах. Некоторые природные газы содержат от 1 до 2 % гелия по массе. Гелий выделяют из природного газа, сжижая остальные конденсирующиеся компоненты, — гелий остаётся газом. Бóльшая часть мирового промышленного запаса гелия сосредоточена в гелиеносных газовых месторождениях США. Аргон, неон, криптон и ксенон получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Радон образуется при распаде других радиоактивных элементов. Сравнительно недавно было установлено, что этот радиоактивный газ содержится в очень малых количествах в почвах и минералах. Однако накопление радона в герметичных, хорошо изолированных зданиях представляет опасность для здоровья — прежде всего, вызывает рак лёгких.
Температуры кипения и плавления благородных газов чрезвычайно низки по сравнению с другими веществами сопоставимой атомной или молекулярной массы. Причина в том, что между атомами этих газов действуют только слабые дисперсионные силы Лондона (London dispersion forces): такие силы способны удерживать атомы вместе только при очень слабом тепловом движении, то есть при очень низких температурах. Гелий — единственное известное вещество, которое не затвердевает при охлаждении под обычным давлением. При атмосферном давлении он остаётся жидким вплоть до температур, близких к абсолютному нулю (\(0{,}001\ \text{К}\)), и кристаллизуется только под повышенным давлением.
Гелием наполняют воздушные шары и летательные аппараты легче воздуха: в отличие от водорода, гелий не горюч и поэтому безопаснее. В отличие от азота, гелий при высоких давлениях не оказывает наркотического действия. Поэтому смеси кислорода и гелия незаменимы для водолазов, работающих под высоким давлением: применение гелиево-кислородной смеси позволяет избежать спутанности сознания, известной как азотный наркоз (nitrogen narcosis), или «глубинный восторг» (rapture of the deep). Гелий важен и как инертная атмосфера при плавке и сварке легко окисляющихся металлов, а также во многих химических процессах, чувствительных к воздуху.
Жидкий гелий (температура кипения \(4{,}2\ \text{К}\)) — важный хладагент, позволяющий достичь низких температур, необходимых для криогенных исследований. Без него нельзя получить и температуры, при которых проявляется сверхпроводимость традиционных сверхпроводящих материалов, используемых в мощных магнитах и других устройствах. Такое охлаждение необходимо, в частности, для магнитов магнитно-резонансной томографии — распространённой медицинской диагностической процедуры. Другой широко применяемый хладагент — жидкий азот (температура кипения \(77\ \text{К}\)), значительно более дешёвый.
Неон входит в состав неоновых ламп и реклам. Электрический разряд через трубку с неоном при низком давлении даёт знакомое красное свечение. Цвет излучения можно изменить, добавив к неону аргон или пары ртути либо взяв стеклянную трубку специальной окраски.
Аргон применялся при производстве газонаполненных электрических ламп накаливания: благодаря более низкой теплопроводности и химической инертности он предпочтительнее азота, поскольку лучше препятствует испарению вольфрамовой нити и продлевает срок службы лампы. Люминесцентные трубки обычно содержат смесь аргона и паров ртути. Аргон — третий по содержанию газ в сухом воздухе.
Криптон-ксеноновые импульсные лампы используют для скоростной фотосъёмки: электрический разряд в такой лампе даёт очень яркую вспышку длительностью всего \(\tfrac{1}{50\,000}\) с. Криптон образует дифторид \(\ce{KrF2}\), термически неустойчивый при комнатной температуре.
Устойчивые соединения ксенона образуются при его взаимодействии с фтором. Дифторид ксенона (xenon difluoride) \(\ce{XeF2}\) получают нагреванием избытка газообразного ксенона с фтором и последующим охлаждением; вещество представляет собой бесцветные кристаллы, устойчивые при комнатной температуре в сухой атмосфере. Тетрафторид ксенона \(\ce{XeF4}\) и гексафторид ксенона \(\ce{XeF6}\) получают аналогично — со стехиометрическим количеством фтора и с его избытком соответственно. Кислородсодержащие соединения готовят, замещая атомы фтора во фторидах ксенона на кислород.
При реакции \(\ce{XeF6}\) с водой получается раствор \(\ce{XeO3}\), а ксенон остаётся в степени окисления +6:
Сухой твёрдый триоксид ксенона \(\ce{XeO3}\) чрезвычайно взрывоопасен — он способен к самопроизвольной детонации. Как \(\ce{XeF6}\), так и \(\ce{XeO3}\) диспропорционируют в щелочных растворах с образованием ксенона, кислорода и солей перксенат-иона (perxenate ion) \(\ce{XeO6^{4-}}\), в котором ксенон достигает своей максимальной степени окисления +8.
Радон, по-видимому, образует \(\ce{RnF2}\) — свидетельства существования этого соединения получены радиохимическими методами с использованием меток.
Неустойчивые соединения аргона образуются при низких температурах, тогда как устойчивые соединения гелия и неона неизвестны.