Благородные газы

        Атомная масса криптона 83,80. Природный  криптон, выделенный из воздуха, состоит из изотопов 78Кr (0,354% по объему), 80Kr (2,27%), 82Kr (11,56%), 83Kr (11,55%), 84Кr (56,90%), 86Kr (17,37%). Изотопный состав Криптона, выделенного из урановых минералов, иной, т.к. при делении 235U и 238U образуются радиоактивные изотопы, напр. 85Kr (T1/2 10,6 г, b-излучатель), который получается также при ядерных взрывах. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси изотопов 2,8.10-27м2. Конфигурация внешней электронной оболочки 4s24р6; степень окисления +2; энергии ионизации Kr°:Kr:Kr2+ соответственно равны 13,9998 и 24,37 эВ; атомный радиус 0,198 нм, ковалентный радиус 0,109 нм.

        Атомная масса ксенона 131.29. Природный ксенон, выделенный из воздуха, состоит из изотопов 124Хе (0,096% по объему), 126Хе (0,090%), 128Хе (1,92%), 129Хе (26,44%), 130Хе (4,08%), 131Хе (21,18%), 132Хе (26,89%), 134Хе (10,44%), 136Хе (8,87%). Изотопный состав Ксенона, выделенного из урановых минералов, иной, т.к. при делении 235U и 238U образуются радиоактивные изотопы, напр. 133Хе (Т1/2 5,27 сут) и 135Хе (Т1/2 9,13 ч) - b-излучатели. Они получаются также при ядерных взрывах. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси изотопов 3,5.10-27 м2, для 135Хе - 2,7.10-22 м2. Конфигурация внешней электронной оболочки 5s25p6; степени окисления +2, +4, +6, +8; энергии ионизации Хе0:Хе+:Хе2+ соответственно  12,1300 и 21,25 эВ; электроотрицательность по Полингу 2,6; атомный радиус 0,218 нм, ковалентный радиус 0,130 нм.

   Атомная масса неона. 20,179. Природный неон состоит из изотопов 20Ne (90,92% по объему), 21Ne (0,257%), 22Ne (8,82%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси изотопов не более 2,8.10-28 м2. Известны коротко-живущие (T1/2 < 200 с) изотопы Неона. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 2s22p6; энергия ионизации Ne0Ne+ Ne+2 соотв. 2080,66 и 3963,52 кДж/моль;  ван-дер-ваальсов радиус 0,160 нм, ковалентный радиус 0,070 нм.

       Атомная масса радона 222,0176. Природный радон состоит из смеси изотопов (a-излучатели): 222Rn (T1/2 3,8 сут), 220Rn (T1/2 55,6 с), 219Rn (T1/2 3,9 с), 2l8Rn (T1/2 0,035 с), являющихся членами природных радиоактивных рядов (дочерние продукты распада изотопов Ra). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для 222Rn 7,2·10-27 м2. Конфигурация внешней электронной оболочки 6s26p6; степени окисления + 2, + 4, +6, +8; энергии ионизации Rn0 : Rn+ : Rn2+ соответственно равны 1037,07 и 2064,7 кДж/моль; атомный радиус 0,214 нм, ковалентный радиус 0,14-0,15 нм.

4.Свойства  благородных газов

4.1 Физические  свойства благородных газов

       В нормальных условиях благородные газы – газообразные вещества без цвета и запаха. Благородные газы  – бесцветные одноатомные газ без цвета и запаха.

       Инертные газы обладают более высокой электропроводностью по сравнению с другими газами и при прохождении через них тока ярко светятся: гелий ярко-жёлтым светом, потому что в его сравнительно простом спектре двойная жёлтая линия преобладает над всеми другими; неон огненно красным светом, так как самые яркие его линии лежат в красной части спектра.

       Насыщенный характер атомных молекул инертных газов сказывается и в том, что инертные газы имеют более низкие точки сжижения и замерзания, чем другие газы с тем же молекулярным весом.

        Гелий - одноатомный газ без цвета и запаха.  Жидкий Гелий - квантовая жидкость, т.е. жидкость, в макроскопическом объеме которой проявляются квантовые свойства составляющих ее атомов. При 2,17 К и давлении паров 0,005 МПа  жидкий 4Не претерпевает фазовый переход второго рода (от Не I к Не II), сопровождающийся резким изменением ряда свойств: теплоемкости, вязкости, плотности и др.

        Неон - одноатомный газ без цвета и запаха, температура кипения 27,07 К (0,1 МПа); плотность в твердом состоянии 1,444 г/см3 (24,66 К),  в жидком 1,24 г/см3 (25,0 К), в газообразном  0,90035 кг/м3 (273 К, 0,1 МПа); критическая температура 44,4 К,критическое давление 2,65 МПа, Растворимость Неона в воде при 0,1 МПа (м3/кг): 0,014.10-3 (273 К), 0,010.10-3 (298 К).

        Аргон - одноатомный газ без цвета и запаха; температура кипения 87,29 К; плотность 0,001784 г/см3 (жидкого при 87 К - 1,40 г/см3,твердого при 40 К -1,40 г/см3); критическое давление 0,4894 МПа;

        Криптон - одноатомный газ без цвета и запаха. Температура кипения 119,80 К; плотность твердого Криптона 3,100 г/см3 (0 К), жидкого 2,412 г/см3 (120 К), газообразного 3,745 кг/м3 (273 К, 0,1 МПа); критическая температура 209,35; Критическое давление 5,50 МПа.

        Ксенон - одноатомный газ без цвета и запаха; температура кипения 165,05 К; плотность твердого К. 2,700 г/см3 (133 К), жидкого 2,987 г/см3 (165 К), газообразного 5,85 кг/м3 (273 К, 0,1 МПа); критическая температура 289,74; Критическое давление 5,84 МПа.

          Радон - одноатомный газ без цвета и запаха. Температура плавления 202 К, температура кипения 211 К; плотность жидкого 4,4г/см3 (211 К), газообразного 9,81 кг/м3 (273 К, 0,1 МПа);критическая температура  377,6 К, критическое давление 6,24 МПа. Радон конденсируется в бесцветную флуоресцирующую жидкость; в газообразном и твердом состояниях светится голубым цветом.

4.2.Химические  свойства благородных газов

       В 1962 году Бартлетт, изучая свойства гексафторида платины, соединения более активного, чем сам фтор, установил, что потенциал ионизации у ксенона ниже, чем у кислорода (12,13 и 12,20 эв соответственно). Между тем кислород образовывал с гексафторидом платины соединение состава O₂PtF₆. Бартлетт ставит опыт и при комнатной температуре из газообразного гексафторида платины и газообразного ксенона получает твердое оранжево - желтое вещество — гексафторплатинат ксенона XePtF₆, поведение которого ничем не отличается от поведения обычных химических соединений.

       Последующие работы Бартлетта позволили установить, что ксенон в зависимости от условий реакции образует два соединения с гексафторидом платины: XePtF₆ и Xe(PtF₆)₂; при гидролизе их получаются одни и те же конечные продукты. Через три недели эксперимент Бартлетта повторила группа американских исследователей во главе с Черником в Аргоннской национальной лаборатории. Кроме того, они впервые синтезировали аналогичные соединения ксенона с гексафторидами рутения, родия и плутония. Так были открыты первые пять соединений ксенона: XePtF₆, Xe(PtF₆)₂, XeRuF₆, XeRhF₆, XePuF₆ .

       Американский ученый Классен попытался найти условия для непосредственного взаимодействия ксенона и фтора. Смесь газов (1 часть ксенона и 5 частей фтора) поместили в никелевый (поскольку никель наиболее устойчив к действию фтора) сосуд и нагрели под сравнительно небольшим давлением. Через час сосуд быстро охладили, а оставшийся в нем газ откачали и проанализировали. Это был фтор. Весь ксенон прореагировал! Вскрыли сосуд и обнаружили в нем бесцветные кристаллы XeF₄. Тетрафторид ксенона оказался вполне устойчивым соединением, молекула его имеет форму квадрата с ионами фтора по углам и ксеноном в центре.

        Интересно в химии ксенона то, что, меняя условия реакции, можно получить не только XeF₄, но и другие фториды — XeF₂, XeF₆.

        Советские химики В. М. Хуторецкий и В. А. Шпанский показали, что для синтеза дифторида ксенона совсем не обязательны жесткие условия. По предложенному ими способу смесь ксенона и фтора (в молекулярном отношении 1:1) подается в сосуд из никеля или нержавеющей стали, и при повышении давления до 35 атм. начинается самопроизвольная реакция.

        Заставить ксенон вступить в реакцию без участия фтора (или некоторых его соединений) пока не удалось. Все известные ныне соединения ксенона получены из его фторидов. Эти вещества обладают повышенной реакционной способностью. Лучше всего изучено взаимодействие фторидов ксенона с водой.

       Гидролиз ХеF₄ в кислой среде ведет к образованию окиси ксенона ХеО₃ — бесцветных, расплывающихся на воздухе кристаллов. Молекула ХеО₃ имеет структуру приплюснутой треугольной пирамиды с атомом ксенона в вершине. Это соединение крайне неустойчиво; при его разложении мощность взрыва приближается к мощности взрыва тротила. Соответствующая трехокиси неустойчивая кислота шестивалентного ксенона H₆XeO₆ образуется в результате гидролиза XeF₆ при 0° С: XeF₆ + 6H₂О = 6HF + H₆XeO_6.

       Интересна изученная недавно реакция дифторида ксенона с безводной НС1O₄. В результате этой реакции получено новое соединение ксенона ХеСlO₄ — чрезвычайно мощный окислитель, вероятно, самый сильный из всех перхлоратов.

        Синтезированы также соединения ксенона, не содержащие кислорода. Преимущественно это двойные соли, продукты взаимодействия фторидов ксенона с фторидами сурьмы, мышьяка, бора, тантала: XeF₂ · SbF₅, ХеF₆ · AsF₃,     ХеF₆ · ВF₃ и ХеF₂ · 2ТаF₅.

       Вскоре после открытия Бартлетта было замечено, что фторид ксенона (VI) реагирует со стеклом:2XeF6+SiO2=2XeOF4+SiF4.

       Реакция протекает и дальше, конечным продуктом является опять же кислородное соединение ХеО_3.

       Помимо соединений ксенона были также получены некоторые соединения криптона и радона.

       Для криптона в настоящее время достоверно известно только дифторидное соединение KrF2 и его производные и тетрафторид KrF4 по свойствам напоминающие соединения ксенона.

       Радон, несомненно, должен давать фторидные соединения не хуже ксенона, однако пока известно лишь о RnF2 и некоторых его производных. Радон также растворим в воде и органических растворителях, с которыми он может образовывать молекулярные соединения, например Rn•6H₂O, Rn•2C₆H₅OH. Реагирует с хлором с образованием хлорида RnCl₄.

        Для гелия, неона и аргона стабильные фторидные соединения пока неизвестны.

        Гелий хуже других газов растворяется в воде и других растворителях. В 1 л воды, например, растворяется при 0 С менее мл Не, т.е. в два с лишним раза меньше чем водорода, и в 51 000 раз меньше, чем HCl.

        В обычных условиях гелий химически инертен, но при сильном возбуждении атомов он может образовать молекулярные ионы  2He+. Возможно также образование ионизированных молекул HeH+.

        Неон, также как и гелий при сильном возбуждении образует молекулярные ионы типа 2Ne+. Он химически инертен. Для него известны только соединения включения такие как Ne*6H2O.

        Аргон так же образует молекулярные соединения включения – клатраты – с водой, фенолом, толуолом и другими веществами. Гидрат Аргона примерного состава Ar*6H2O представляет собой кристаллическое вещество, разлагающееся при атмосферном давление и температуре -42,8 С. Его можно получить непосредственным взаимодействием Аргона с водой при 0 С и давлении порядка 15 МПа. С соединениями H2S, SO2, CO2, HCl аргон дает двойные гидраты, т.е. смешанные клатраты.

5. Применение благородных газов

       Гелий является важным источником низких температур. При температуре жидкого гелия тепловое движение атомов и свободных электронов в твердых телах практически отсутствует, что позволяет изучать многие новые явления, например сверхпроводимость в твердом состоянии.

       Газообразный гелий используют как легкий газ для наполнения воздушных шаров. Поскольку он негорюч, его добавляют к водороду для заполнения оболочки дирижабля. Гелий используют как инертную среду для дуговой сварки, особенно магния и его сплавов, при получении Si, Ge, Ti и Zr, для охлаждения ядерных реакторов.

       Так как гелий хуже растворим в крови, чем азот, большие количества гелия применяют в дыхательных смесях для работ под давлением, например при морских погружениях, при создании подводных тоннелей и сооружений. При использовании гелия декомпрессия (выделение растворенного газа из крови) у водолаза протекает менее болезненно, менее вероятна кессонная болезнь, исключается такое явление, как азотный наркоз. Смеси He–O₂ применяют, благодаря их низкой вязкости, для снятия приступов астмы и при различных заболеваниях дыхательных путей. Также смеси благородных газов с кислородом при вдыхании обладают анестезирующим свойством (это открытие принадлежит российскому фармакологу Лазареву).

        Другие применения гелия – для газовой смазки подшипников, в счетчиках нейтронов (гелий-3), газовых термометрах, рентгеновской спектроскопии, для хранения пищи, в переключателях высокого напряжения. В смеси с другими благородными газами гелий используется в наружной неоновой рекламе (в газоразрядных трубках). Жидкий гелий выгоден для охлаждения магнитных сверхпроводников, ускорителей частиц и других устройств.

        Неон также используется для заполнения ламп накаливания, сигнальных ламп и газоразрядных трубок, дающих красновато-оранжевое свечение и используемых при изготовлении светящихся реклам.

        Продувкой аргона через жидкую сталь из нее удаляют газовые включения. Это улучшает свойства металла. Все шире применяется дуговая электросварка в среде аргона. В аргонной струе можно сваривать тонкостенные изделия и металлы, которые прежде считались трудносвариваемыми. Продуваемый вдоль столба дуги аргон (в смеси с водородом) предохраняет кромки разреза и вольфрамовый электрод от образования окисных, нитридных и иных пленок. Одновременно он сжимает и концентрирует дугу на малой поверхности, отчего температура в зоне резки достигает 4000—6000° С. К тому же эта газовая струя выдувает продукты резки.

        Криптон применяется в газоразрядных трубках, а также используется как эталон единицы длины в системе СИ.

        Области применения ксенон разнообразны. В светотехнике признание получили ксеноновые лампы высокого давления. В таких лампах светит дуговой разряд в ксеноне, находящемся под давлением в несколько десятков атмосфер. Свет в ксеноновых лампах появляется сразу после включения, он ярок и имеет непрерывный спектр — от ультрафиолетового до ближней области инфракрасного. Ксеноном пользуются и медики — при рентгеноскопических обследованиях головного мозга. Как и баритовая каша, применяющаяся при просвечивании кишечника, ксенон сильно поглощает рентгеновское излучение и помогает найти места поражения. При этом он совершенно безвреден. Активный изотоп ксенона, ксенон - 133, используют при исследовании функциональной деятельности легких и сердца.

        Радон применяют главным образом в медицине. В радиационной терапии его используют для обработки злокачественных опухолей. В физиотерапии радоновые ванны назначают для лечения заболеваний центральной нервной системы, а также сердечно-сосудистых и кожных заболеваний. Издавна известно о целебном действии радоновых вод. Часто у таких источников строят санатории или лечебные комплексы. Такие санатории находятся, к примеру, на Алтае на курорте «Белокуриха» и в Казахстане, в санатории «Рахмановские ключи», у подножия горы Белуха.