Благородные газы

Министерство  образования и науки Российской федерации

ГОУ ВПО “Саратовский государственный  университет имени Н.Г.Чернышевского”

Кафедра общей и неорганической химии

 

Благородные  газы

Курсовая работа

                                                                             

                                                                                                                        Студента Х курса

                                                                                                             ХХХ группы

                                                                                                                                Института химии

                                                                                       

Научный руководитель:

Доктор  химических наук

профессор ХХХХХХХХХ

Заведущий кафедрой:

Чл.-корр. РАЕН,

профессор, доктор химических наук

ХХХХХХХХХХХ

 

 

Саратов 2010

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………………………………………………………………3

1. История открытия благородных газов…………………………………………………………………..4
2. Способы получения благородных газов…….………………………………………………………......8
3. Основные характеристики благородных газов……………………………………………………..9
4. Свойства благородных газов………………………………………………………………………………...11

       4.1.Физические свойства благородных газов ……………………………………………………...11

       4.2.Химические свойства благородных газов ……………………………………………………...13

5. Применение благородных газов………………………………………..................................................16
6. Последние научные открытия, связанные с благородными газами…………...............18 6.1.Эксимерный лазер, сделанный на хлоридах благородных газов……………………18              

      6.2.Новое соединение ксенона………………………………………………………………………………21

Заключение………………………………………………………………………………………………………….................22

Список  литературы…………………………………………………………………………………………………………23

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

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).

Химия благородных  газов не является разнообразной  в виду их инертности, но с другой стороны представляет собой очень  интересной к исследованию из-за их особого строения и свойств. Изучение  данных элементов и их соединений является очень актуальным, так как находится на стадии развития. Именно по этим причинам я посвятил им свою работу.

 

 

1.История открытия благородных газов

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 обладает высокой устойчивостью.

Гелий впервые  был идентифицирован как химический элемент в 1868 П.Жансеном  при изучении солнечного затмения в Индии. При  спектральном анализе солнечной  хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1971 Дж.Локьер и  П.Жансен доказали , что эта линия  не относится ни к одному из известных на Земле элементов.  Локьер и Э.Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. “генлиос” что означает солнце. В это время не знали, что гелий – инертный газ и предпологали, что это металл. И только спустя четверть века гелий был обнаружен на Земле.

В 1890 году Рамзай 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.  Год спустя Г. Кейзер обнаружил примеси Гелия в атмосфере а в 1906 Гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что альфа-частицы испускаемые радиоактивными элементам  представляют собой ядра гелия.

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.

2.Способы получения благородных газов

       Благородные газы встречаются в земной коре и в атмосфере. Содержание их в воздухе колеблется от 10-6 (ксенон) до 0,934 % по объему (аргон).  В земной коре в наименьших количествах содержится радон — 4•10-17%. Содержание ксенона значительно больше — 2 • 1СГ9%. Содержание криптона — 1,9•10-8%, содержание гелия и неона приблизительно одинаково — 8 — 5•10-7%, и, наконец, содержание аргона достигает 4•10-6%. Промышленные природные месторождения гелия, как правило, находятся там, где в недрах земли залегают запасы природных газов, сопровождающих скопление нефти.

       Гелий в промышленности получают из природных газов методом глубокого охлаждения. При этом он, как самое низкокипящее вещество, остается в виде газа, тогда как все другие газы конденсируются.

        Неон получают совместно с гелием в качестве побочного продукта в процессе сжижения и разделения воздуха. Разделение гелия и неона осуществляется за счет адсорбции или конденсации. Адсорбционный метод основан на способности неона в отличие от гелия адсорбироваться активированным углем, охлажденным жидким азотом. Конденсационный способ основан на вымораживании неона при охлаждении смеси жидким водородом.

       Аргон получают при разделении жидкого воздуха, а так же из отходов газов синтеза аммиака.  В природных условиях образуется при распаде изотопа калия за счет электронного захвата  (1s-электрона калия ядром).

        Криптон извлекают вместе с ксеноном при ректификации жидкого воздуха.

       Радон получают как побочный продукт в процессе переработки урансодержащих руд после перевода Ra в 1%-ные растворы соляной или бромистоводородной к-ты. Выделяемую из растворов смесь газов-Н2, О2, Не, Rn, CO2, Н2О, углеводородов-очищают от Н2 и О2 на нагретых до 1000 К медных сетках, затем радон конденсируют охлаждением жидким N2 и отгонкой удаляют остаточные газы.

3.Основные характеристики благородных газов

Таблица 1.

Физико-химические свойства благородных газов

       Атмосферный гелий состоит из изотопов 3Не (0,00013% по объему) и 4Не. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для 4Не 68*10-32 м2, для 3Не-54*10-26 м2. Конфигурация электронной оболочки 1s2; энергия ионизации Не0 -> Не+ -> Не2 + соответственно 2372 и 5250 кДж/моль; ван-дер-ваальсов радиус 0,122 нм, ковалентный радиус   0,04-0,06 нм.

       Атомная масса  аргона 39,948. Природный аргон состоит из изотопов с массой 36 (0,337% по объему), 38 (0,063%), 40 (99,600%), т.е. в отличие от других легких элементов, преобладает самый тяжелый изотоп. Причина этого - концентрирование 40Аг в атмосфере в результате распада в литосфере 40К посредством захвата орбитального электрона: К + + е -> 40Аг+ (превращ. 12% 40К). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природного Аргона 62*10-26 м2. Конфигурация внешней электронной оболочки 3s23p6; энергия ионизации  Аг° -> Аг+ -> Аг2+ соответственно 1520,57 и 2665,83 кДж/моль; ван-дер-ваальсов  радиус  0,192 нм, ковалентный радиус  0,095 нм.