| Группа → | 18 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ↓ Период | |||||||
| 1 |
| ||||||
| 2 |
| ||||||
| 3 |
| ||||||
| 4 |
| ||||||
| 5 |
| ||||||
| 6 |
| ||||||
| 7 |
| ||||||
Благоро́дные га́зы (также ине́ртные[1] или ре́дкие га́зы[2]) — группа химических элементов со схожими свойствами: при нормальных условиях они представляют собой одноатомные газы без цвета, запаха и вкуса, с очень низкой химической реактивностью[англ.]. К благородным газам относятся гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn). Формально к этой группе также причисляют недавно открытый оганесон (Og), однако его химические свойства почти не исследованы и скорее всего будут близки к свойствам металлоидов, таких как астат (At) и теллур (Te) .
В первых 6 периодах периодической таблицы химических элементов инертные газы относятся к последней, 18-й группе. Согласно старой европейской системе нумерации групп периодической таблицы, группа инертных газов обозначается VIIIA (главная подгруппа VIII-й группы, или подгруппа гелия), согласно старой американской системе — VIIIB; кроме того, в некоторых источниках, особенно в старых, группа инертных газов обозначается цифрой 0, ввиду характерной для них нулевой валентности. Возможно, что из-за релятивистских эффектов элемент 7-го периода 4-й группы флеровий обладает некоторыми свойствами благородных газов[3]. Он может заменить в периодической таблице оганесон[4]. Благородные газы химически неактивны и способны участвовать в химических реакциях лишь при экстремальных условиях.
Характеристики благородных газов объяснены современными теориями структуры атома: их электронные оболочки из валентных электронов являются заполненными, тем самым позволяя участвовать лишь в очень малом количестве химических реакций: известны всего несколько сотен химических соединений этих элементов.
Неон, аргон, криптон и ксенон выделяют из воздуха специальными установками, используя при этом методы сжижения газов и фракционированной конденсации. Источником гелия являются месторождения природного газа с высокой концентрацией гелия, который отделяется с помощью методов криогенного разделения газов. Радон обычно получают как продукт радиоактивного распада радия из растворов соединений этого элемента.
Химические свойства
править
Благородные газы не поддерживают горения и не возгораются при нормальных условиях.
| № | Элемент | № электронов/электронной оболочки |
|---|---|---|
| 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 | оганесон | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 |
Соединения
править
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 и 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[5].
Физические свойства
править
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
правитьИнертные 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[6][7]. 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)[8].
Применение
править
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[9][неавторитетный источник] 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
править| Форма | Гелий | Неон | Аргон | Криптон | Ксенон |
| В колбе под действием электричества | 
|
|
|
|
|
| В прямой трубке | 
|
|
|
|
|
| В трубках-литерах Периодической таблицы | 
|
|
|
|
|
| Cпектр поглощения газа | 
|
|
|
|
|
См. также
правитьПримечания
править- ↑ Инертные газы // Казахстан. Национальная энциклопедия. — Алматы: Қазақ энциклопедиясы, 2005. — Т. II. — ISBN 9965-9746-3-2. (CC BY-SA 3.0)
- ↑ Благородные газы — статья из Химической энциклопедии
- ↑ Flerov laboratory of nuclear reactions. JINR. Дата обращения: 8 августа 2009. Архивировано 6 октября 2011 года.
- ↑ Nash, Clinton S. Atomic and Molecular Properties of Elements 112, 114, and 118 (англ.) // J. Phys. Chem. A[англ.] : journal. — 2005. — Vol. 109, no. 15. — P. 3493—3500. — doi:10.1021/jp050736o. — PMID 16833687.
- ↑ Wieser M. E. Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure Appl. Chem. : journal. — 2006. — Vol. 78, no. 11. — P. 2051—2066. — doi:10.1351/pac200678112051.
- ↑ Опасности при работе с азотом и аргоном. Дата обращения: 31 марта 2011. Архивировано 16 октября 2014 года.
- ↑ Инструкция по эксплуатации баллонов с аргоном, используемых в спектральной лаборатории. Дата обращения: 31 марта 2011. Архивировано из оригинала 25 июля 2010 года.
- ↑ Павлов Б. Н. Проблема защиты человека в экстремальных условиях гипербарической среды обитания. www.argonavt.com (15 мая 2007). Дата обращения: 22 мая 2010. Архивировано 22 августа 2011 года.
- ↑ en:Dry_suit (англ.)
Литература
править- Беннетт, Питер; Эллиотт, Дэвид. The Physiology and Medicine of Diving (англ.). — SPCK Publishing, 1998. — ISBN 0-7020-2410-4.
- Bobrow Test Preparation Services. CliffsAP Chemistry (англ.). — CliffsNotes[англ.], 2007. — ISBN 0-470-13500-X.
- Гринвуд, Н. Н.; Ёрншо, A. Chemistry of the Elements (англ.). — 2nd. — Oxford:Butterworth-Heinemann, 1997. — ISBN 0-7506-3365-4.
- Хардинг, Чарли Дж.; Джейнс, Роб. Elements of the P Block (англ.). — Royal Society of Chemistry, 2002. — ISBN 0-85404-690-9.
- Холловэй, Джон. Noble-Gas Chemistry (англ.). — Лондон: Methuen Publishing[англ.], 1968. — ISBN 0-412-21100-9.
- Менделеев, Дмитрий[англ.]. Основы Химии. — 7-е.
- Оджима, Минору; Подосек, Франк. Noble Gas Geochemistry (англ.). — Cambridge University Press, 2002. — ISBN 0-521-80366-7.
- Вайнхольд, Ф.; Лэндис, C. Valency and bonding (англ.). — Cambridge University Press, 2005. — ISBN 0-521-83128-8.
- Скерри, Эрик. The Periodic Table, Its Story and Its Significance (англ.). — Oxford University Press, 2007. — ISBN 0-19-530573-6.
Ссылки
править
В статье есть список источников, но не хватает сносок. |