Инертные газы свойства. Инертные газы

Инертные газы (благородные газы) - элементы, образующие 18 группу ПС (в короткопериодном варианте - главную подгруппу 8 группы): гелий He (атомный номер 2), неон Ne (Z = 10), аргон Ar (Z = 18) криптон Kr (Z = 36), ксенон Xe (Z = 54) и радон Rn (Z = 86). Инертные газы постоянно присутствуют в воздухе (в 1 м 3 воздуха их содержится около 9,4 литров, главным образом Ar). Состав же воздуха ученые анализировали уже со второй половины 18 века. Однако обнаружить инертные газы долгое время не удавалось. Из-за своей химической пассивности они никак не проявляли себя в обычных реакциях и ускользали из поля зрения исследователей. Только после открытия спектрального анализа были открыты сначала гелий и аргон, а затем и другие инертные газы. В начале 20 века человечество с удивлением узнало, что воздух, такой привычный и, казалось, изученный, содержит 6 неизвестных ранее элементов.


Инертные газы находятся в растворенном виде в воде, содержатся в некоторых горных породах. Гелий иногда входит в состав подземных газов. Такие газы являются его единственным промышленным источником. Неон, аргон, криптон и ксенон добывают из воздуха в процессе его разделения на азот и кислород.

Источником Rn служат препараты урана, радия и других радиоактивных элементов. Хотя и все инертные газы, кроме радона, стабильны, их происхождение во многом связано с радиоактивностью. Так, ядра гелия, иначе называемые ɑ-частицами, постоянно образуются в результате радиоактивного распада урана или тория. Аргон-40, преобладающий в природной смеси изотопов аргона, возникает при радиоактивном распаде изотопа калия-40. Наконец, происхождение большей части земных запасов Xe обусловлено, вероятно, самопроизвольным делением ядер урана.

Все инертные газы не имеют ни цвета, ни запаха. Внешние электронные оболочки их атомов содержат максимально возможное для соответствующих внешних оболочек число электронов: 2 у гелия и по 8 у остальных. Такие оболочки обладают высокой устойчивостью. С этим связана, во-первых, химическая пассивность инертных газов по отношению к другим элементам. А во-вторых, неспособность их атомов вступать в связь друг с другом, вследствие чего молекулы их одноатомны. Инертные газы, особенно легкие, трудно перевести в жидкое состояние. Попробуем разобраться. Почему это так. Молекулы других газов либо представляют собой постоянные диполи, как, например, HCl, либо легко становятся диполями (Cl 2). У постоянных диполей «центры тяжестей» положительного и отрицательного зарядов постоянно не совпадают между собой. Образование же диполя в молекулах типа Cl 2 связано со смещением в них «центров тяжести» зарядов друг относительно друга под воздействием внешних сил, в частности под действием электрических полей соседних молекул. Таким образом, и в молекулах HCl, и в молекулах Cl 2 между разноименным полюсами диполей существуют силы электростатического притяжения. При определенных пониженных температурах этих сил оказывается достаточно, чтобы удержать молекулы друг возле друга. У атомов инертных газов расположение электронов вокруг ядер строго сферическое. Поэтому соседние атомы не могут вызвать смещение «центров тяжести» электрических зарядов в их атомах и привести к образованию «наведенного» диполя, как в молекулах хлора. Таким образом, ни постоянных, ни наведенных диполей в атомах инертных газов нет. А раз так, то и силы притяжения между ними при нормальных условиях практически отсутствуют. Однако ввиду постоянных колебаний атомов, «центры» зарядов могут на мгновение сместиться в разные стороны атома. Возникающие при образовании этого мгновенного диполя силы электростатического притяжения очень малы, однако при очень низких температурах их хватает для того, чтобы сконденсировать эти газы.

Долгое время попытки получить обычные химические соединения инертных газов, оканчивались неудачами. Положить конец представлениям об абсолютной химической недеятельности инертных газов удалось канадскому ученому Н. Бартлетту, который в 1962 году сообщил о синтезе соединения ксенона с гексафторидом платины PtF 6 . Полученное соединение ксенона имело состав Xe. В последующие годы было синтезировано большое количество и других соединений радона, ксенона и криптона.

Давайте рассмотрим поподробнее химические свойства инертных газов.

Ксенон

Из-за своей малой распространенности ксенон гораздо дороже более легких благородных газов. Для получения 1 м 3 ксенона необходимо переработать 10 млн м 3 воздуха. Таким образом, ксенон является редчайшим газом земной атмосферы.

При взаимодействии ксенона со льдом под давлением получен его гексагидрат Xe∙6H 2 O. Под давлением при кристаллизации фенола выделено другое клатратное соединения с фенолом Xe∙6C 6 H 5 OH. Получены и охарактеризованы триокисд ксенона XeO 3 в виде бесцветных кристаллов и тетраокстд XeO 4 в виде газа как чрезвычайно взрывчатые вещества. При 0°C происходит диспропорционирование:

2XeO 3 = XeO 4 + Xe + O 2

При взаимодействии с водой тетраоксида ксенона, где ксенон в степени окисления +8, образуется сильная перксеноновая кислота H 4 XeO 6 , которую не смогли выделить в индивидуальном состоянии, но получили соли - перксенаты щелочных металлов. Только соли калия, рубидия и цезия оказались растворимы в воде.

Газообразный ксенон вступает в реакцию с гексафторидом платины PtF 6 с образованием гексафторплатината ксенона Xe. При нагревании в вакууме он взгоняется без разложения, а в воде гидролизуется с выделением ксенона:

2Xe + 6H 2 O = 2Xe + O 2 + 2PtO 2 + 12HF

В дальнейшем выяснилось, что ксенон образует с гексафторидом платины 2 соединения: Xe и Xe 2 . При нагревании ксенона с фтором образуется XeF 4 , который фторирует фтор и платину:

XeF 4 + 2Hg = Xe + 2HgF 2
XeF 4 + 2Pt = Xe + 2PtF 4

В результате гидролиза XeF 4 образуется неустойчивый XeO 3 , разлагающийся на воздухе со взрывом.

Получены также XeF 2 и XeF б, последний из которых распадается со взрывом. Он чрезвычайно активен, легко реагирует с фторидами щелочных металлов:

XeF 6 + RbF = Rb

Полученная соль рубидия разлагается при 50°C до XeF 6 и RbXeF 8
С озоном в щелочной среде XeO 3 образует натриевую соль Na 4 XeO 6 (перксенонат натрия). Перксенонат-анион - это самый сильный из известных окислителей. Также сильным окислителем является Xe(ClO- 4) 2 . Это самый сильный окислитель из всех известных перхлоратов.

Радон

Радон образует клатраты, которые хотя и имеют постоянный состав, но химических связей с участием радона в них нет. Известны гидраты Rn∙6H 2 O, аддукты со спиртами, например Rn∙2C 2 H 5 OH и др. С фтором радон при высоких температурах образует соединения состава RnF n , где n = 4, 6, 2.

Криптон

Криптон образует клатратные соединения с водой, серной кислотой, галоген водородами, с фенолом, тоулолом и другими органическими вещества. При взаимодействии криптона с фтором можно получить его ди- и тетрафториды, устойчивые только при пониженных температурах. Дифторид проявляет свойства окислителя:

KrF 2 + 2HCl = Kr + Cl 2 + 2HF

2KrF 2 + 2H 2 O = 2Kr + O 2 + 4HF

Получить соединения более легких инертных газов не удалось. Теоретические расчеты показали, что соединения аргона, может быть, и будут синтезированы, а вот у гелия и неона их получить нельзя.

В сварке нередко применяются так называемые инертные газы. К ним относится группа химических элементов, у которых оказываются схожие свойства. Инертный газ благородный при нормальных условиях является одноатомным. Практически все они не обладают ни цветом, ни запахом. Характерной отличительной особенностью является очень низкая химическая реактивность. Они практически не вступают в реакцию с металлами, что и требуется для нормальной работы. Такие газы занимают первые 6 периодов и относятся к восьмой группе химических элементов в периодической таблице.

Свойства инертных газов можно объяснить по теории об атомных структурах. У них получаются полные электронные оболочки из валентных электронов. Это создает условия, в которых вещество может участвовать лишь в небольшом количестве химических реакций. Стоит отметить, что различия в температурах кипения и плавления практически у всех благородных газов менее 10 градусов Цельсия.

Область применения

Свойства инертных газов делают их очень востребованными в сварочной сфере. Основными местами применения являются газовая и газово-дуговая сварка. Они выполняют роль защитной среды, которая отгораживает сварочную ванну с расплавленным металлом от негативного воздействия различных факторов, в том числе и воздушной среды. Как правило, они применяются вместе с техническим кислородом, так как он повышает температуру их горения. При использовании инертных газов швы получаются более надежными и качественными, так как снижается вероятность возникновения брака во время работы.

Вещества используются на строительных площадках при соединении металлоконструкций, в особенности, несущих частей. Ими удобнее работать с тонкими деталями, трубами и прочими объектами, которые сложно поддаются электрической сварке. В ремонтных мастерских по восстановлению автомобилей и прочей сложной техники именно сварка инертными газами является основным методом соединения деталей, так как она обладает деликатным отношением к материалу. В коммунальной сфере, где речь идет о ремонте труб и прочих вещей эти разновидности также используются. При производстве металлических изделий самого различного типа, особенно из цветных сложно свариваемых металлов, инертный газ благородный выступает основным сырьем для работы.

Преимущества

Разобравшись, что значит инертный газ, стоит понять, почему именно он так популярен в данной области. Это обусловлено рядом преимуществ, которые основаны на его свойствах. Естественно, что у каждого из них могут быть свои особенности, но в целом можно выделить следующие положительные моменты:

• Вещество практически не вступает в реакцию с металлами, с которыми ведется работа, кислородом, окружающей средой и так далее;
• Газы дают достаточно высокую температуру при сваривании, что обеспечивает проварку на большую глубину металла;
• Есть возможность регулировать сварочное пламя, его соотношение с кислородом для получения нужных параметров;
• Хранение и перевозка в сжиженном состоянии или под большим давлением, оказывается выгодным делом за счет компактности;
• Добыча некоторых газов может осуществляться непосредственно на рабочем месте благодаря специальным установкам генераторам.

Недостатки

Тем не менее, хоть для этой области газы и являются одним из наиболее качественных решений, их использование имеет определенные недостатки, среди которых основными являются следующие:

• Хранение и перевозка баллонов с газами является достаточно сложным делом, так как есть риск взрыва;
• Большинство веществ такого рода вызывают удушье, когда их концентрация в окружающем воздухе доходит до определенного значения;
• Некоторые из газов очень вредны для органов дыхания и могут вызывать профессиональные болезни за относительно короткий период времени, поэтому, обязательно нужно использовать индивидуальные средства защиты;
• Ацетилен и другие газы подобного рода могут иметь высокую стоимость, что делает процесс сварки более дорогостоящим.

Виды инертных газов

Аргон – не ядовитый, не имеет запаха и цвета. Он тяжелее воздуха почти в 1,5 раза. Газ не растворяется в металлах, как в твердом, так и в жидком состоянии. Для промышленности выпускается в виде высшего и первого сорта. Высший сорт содержит 99,993% чистого вещества и применяется при сваривании ответственных соединений. Первый сорт содержит 99,98% чистого вещества. В качестве добавок имеется азот и кислород. Хорошо подходит для .

Гелий — не ядовитый, не имеет запаха и цвета. Он легче воздуха. Вещество выпускают по ГОСТ 20461-75. Это может быть технический газ чистотой 99,8% и сорт высшей чистоты 99,985%. В сварке используется не так часто, как аргон, так как он более дорогой и дефицитный. Он почти в 2 раза эффективнее, так как дуга выделяет с ним больше энергии и обеспечивается лучшая защита и более глубокая проварка. Основной сферой использования является сварка активных и химически чистых материалов на основе магния и алюминия.

Азот — не ядовитый, не имеет запаха и цвета. Применяется для сварки меди и сплавов из этого металла. Выпускается по ГОСТ 9293-74 и согласно данному стандарту выделяют 4 основных сорта. В высшем содержится 99,9% чистого материала, в первом – 99,5%, во втором – 99%, и в третьем – 97%.

Инструкция по применению

При использовании инертных газов они в первую очередь пускаются в горелку, чтобы проверить ее работоспособность. Только после этого можно добавлять кислород. Пламя может использоваться для предварительного подогрева и постепенного остывания, а не только для сварки. При начале сваривания нужно выставить параметры соотношения газов и их подачу в нужный режим.

Перед началом работ всегда нужно проверять все шланги на целостность, чтобы газ не выходил из них.»

Меры безопасности

• Баллоны с газом должны находиться на расстоянии от 5 метров от источника пламени и легковоспламеняющихся веществ;
• Поблизости не должно быть масляных пятен;
• Во время работы баллоны должны быть надежно закреплены;
• Нужно всегда следить за состоянием загазованности помещения, чтобы не возникло удушья.

Хранение и транспортировка

Транспортировка должна проводиться на транспортном средстве с рессорами. Баллоны должны быть закреплены, чтобы исключить их удары друг о друга и падения. Хранение должно проводиться в проветриваемом помещении.

Заключение

Несмотря на все недостатки и сложности, инертные газы остаются самыми востребованными расходными материалами для качественной и надежной сварки.

Открытие:

В 1893 г. было обращено внимание на несовпа­дение плотностей азота из воздуха и азота, получаемого при разло­жении азотных соединений: литр азота из воздуха весил 1,257 г, а по­лученного химическим путем-1,251 г. Произведенное для выяснения этого загадочного обстоятельства очень точное изучение состава воз­духа показало, что после удаления всего кислорода и азота получался небольшой остаток (около 1%), который ни с чем химически не реагировал.

Открытие нового элемента, названного аргоном (по-гре­чески - недеятельный), представило, таким образом, «торжество третьего десятичного знака». Молекулярный вес аргона оказался рав­ным 39,9 г/моль.

Следующий по времени открытия инертный газ - гелий («солнеч­ный») был обнаружен на Солнце раньше, чем на Земле. Это оказа­лось возможным благодаря разработанному в 50-х годах прошлого века методу спектрального анализа.

Через несколько лет после открытия аргона и гелия (в 1898 г.) были выделены из воздуха еще три инертных газа: неон («новый»), криптон («скрытый») и ксенон («чуждый»). Насколько трудно было их обнаружить, видно из того, что 1 м 3 воздуха, наряду с 9,3 л аргона, содержит лишь 18 мл неона, 5 мл гелия, 1 мл криптона и 0,09 мл ксе­нона.

Последний инертный газ - радон был открыт в 1900 г. при изуче­нии некоторых минералов. Содержание его в атмосфере составляет лишь 6-10 -18 % по объему (что соответствует 1-2 атомам в кубиче­ском сантиметре). Было подсчитано, что вся земная атмосфера содер­жит лишь 374 литра радона.

Физические свойства:

Все инертные газы бесцветны и состоят из одноатомных мо­лекул. Разделение инертных га­зов основано на различии их физических свойств.

Инертные газы бесцветны и не имеют запаха. В небольшом количестве они присутствуют в воздухе.Инертные газы не ядовиты. Однако атмосфера с увеличенной концентрацией инертных газов и соответствующим снижением концентрации кислорода может оказывать удушающее действие на человека, вплоть до потери сознания и смерти. Известны случаи гибели людей при утечках аргона.

Температура плавле­ния, °С
Температура кипения,°С

Количество тепла, необходи­мое для перевода вещества из твер­дого состояния в жидкое, носит на­звание теплоты плавления, а для пе­ревода из жидкого состояния в паро­образное - теплоты испарения. Обе величины относят обычно к переходам, происходящим под нормальным давлением. Для инертных газов они имеют следующие значе­ния (ккал/г-атом):

Теплота плавления
Теплота испарения

Ниже сопоставлены критические температуры инертных газов и те давления, которые необходимы и достаточны для ихперевода при этих температурах из газообразного состояния в жидкое, - критические давления:

Критическая температура, °С
Критическое давление, атм

Это интересно :

Вопрос об атомности молекулы аргона был разрешен при помощи кинетиче­ской теории. Согласно ей, количество тепла, которое нужно затратить для нагревания грамм-молекулы газа на одни градус, зависит от числа атомов в его моле­куле. При постоянном объеме грамм-молекула одноатомного газа требует 3 кал, двухатомного - 5 кал. Для аргона опыт давал 3 кал, что и указывало на одноатомность его молекулы.То же относится и к другим инертным газам.

Гелий был последним из газов переведен в жидкое и твердое состояние. По отношению к нему имели место особые трудности, обусловленные тем, что в резуль­тате расширения при обычных температурах гелий не охлаждается, а нагревается. Лишь ниже -250 °С он начинает вести себя «нормально». Отсюда следует, что обыч­ный процесс ожижения мог быть применим к гелию лишь после его предварительного очень сильного охлаждения. С другой стороны, и критическая температура гелия ле­жит крайне низко. В силу этих обстоятельств благоприятные результаты при работе с гелием были получены лишь после овладения методикой оперирования с жидким водородом, пользуясь испарением которого только и можно было охладить гелий до нужных температур. Получить жидкий гелий удалось впервые в 1908 г., твердый гелий -в 1926 г.

Химические свойства:

Для инертных газов характерно полное (Не, Ne, Аr) или почти пол­ное (Кг, Хe, Rn) отсутствие химической активности. В периодической системе они образуют особую группу (VIII). Вскоре после открытая инертных газов образованная ими в периодической системе новая группа была названа нулевой, чтобы подчеркнуть этим нулевую ва­лентность данных элементов, т. е. отсутствие у них химической активности. Такое на­звание часто применяется и в настоя­щее время, однако по существу пе­риодического закона правильнее счи­тать группу инертных газов восьмой, так как этими элементами соответ­ствующие периоды не начинаются, а заканчиваются.

Отсутствие у тяжелых инертных газов полной химической инертно­сти было обнаружено лишь в 1962 г. оказалось, что они способны соединяться с наиболее активным металлоидом - фтором (и только с ним). Ксенон (и радон) реагируют довольно легко, криптон - гораздо труднее. Получены XeF 2 , XeF 4 , XeF 6 и малоустойчивый KrF 2 . Все они представляют собой бесцветные летучие кристаллические вещества.

Ксенондифторид (XeF 2)-медленно образуется под действием дневного света на смесь Xe и F 2 при н.у. Обладает характерным тошнотворным запахом. Для образования молекулы требуется возбуждение атома ксенона от 5s 2 5p 6 до ближайшего двухвалентного состояния 5s 2 5p 5 s 1 - 803кдж/моль, до 5s 2 5p 5 6p 1 -924 кдж/моль, 25s 2 5p 1 6d 1 - 953 кдж/моль.

Xe+F 2 →XeF 2

В воде растворяется 0,15 моль/л. Раствор является очень сильным окислителем. Раствор разлагается по схеме:

XeF 2 +H 2 O→HF+Xe+O 2 (процесс происходит быстрее в щелочной среде, медленнее в кислой).

Ксенонтетрафторид- образуется из простых веществ, реакция сильно экзотермична, является наиболее устойчивым из всех фторидов.

XeF 4 +2Hg=2HgF 2 +Xe

XeF 4 +Pt=PtF 4 +Xe

Качественная реакция на тетрафторид ксенона:

XeF 4 +4KI=4KF+2I 2 ↓+Xe

Тетрафторид ксенона разлагается по схемам:

3Xe 4+ →Xe 6+ +2Xe 0 (в кислой среде).

Xe 4+ →Xe 0 +Xe 8+ (в щелочной среде).

Ксенонгексафторид- бесцветный, известен в 3 кристаллических модификациях. При 49 ℃, переходя в жёлтую жидкость, при затвердевании вновь обесцвечивается. Пары имеют бледно-жёлтую окраску. Разлагается с взрывом. Под действием влажного воздуха гидролизуются:

XeF 6 +H 2 O→2HF+OXeF 4

OXeF 4 бесцветная жидкость, менее реакционно способен,чем XeF 6 .Образует кристаллогидраты с фторидами щелочных металлов, например: KF∙OXeF 4

Дальнейшим гидролизом можно получить триоксид ксенона:

XeF 6 +3H 2 O→XeO 3 +6HF

XeO 3 бесцветное взрывчатое вещество, расплывающееся на воздухе. Распадается со взрывом, но при аккуратном нагревании при 40 градусов по Цельсию, происходит реакция:

2XeO 3 →2Xe+3O 2

Есть кислота, формально отвечающая данному оксиду- H 2 XeO 4 .Есть соли, соответствующие данной кислоте: MHXeO 4 или MH 5 XeO 6 , кислота(M- от натрия до цезия), отвечающая последней соли была получена:

3XeF 4 +6Ca(OH) 2 →6CaF 2 ↓+Xe+2H 2 XeO 6

В сильнощелочной среде Xe 6+ дисмутирует:

4Xe 6+ →Xe 0 +3Xe 8+

Дифторид криптона - летучие бесцветные кристаллы, химически активное вещество. При повышенных температурах разлагается на фтори криптон. Был впервые получен дейсвтием электрического разряда на смесь веществ, при -188 ℃:

F 2 +Kr→KrF 2

Водой разлагается по схеме:

2KrF 2 +2H 2 O→O 2 +4HF+2Kr

Применение инертных газов:

Инертные газы находят довольно разнообразное практическое при­менение. В частности, исключительно важна роль гелия при получении низких температур, так как жидкий гелий является самой холодной из всех жидкостей.Искусственный воздух, в составе которого азот заме­нен гелием, был впервые применен для обеспечения дыхания водолазов. Растворимость газов с возрастанием давления сильно увеличивается, поэтому у опускающегося в воду и снабжаемого обычным воздухом водолаза кровь растворяет азота больше, чем в нормальных условиях. При подъеме, когда давление падает, растворенный азот начинает выде­ляться и его пузырьки частично закупоривают мелкие крове­носные сосуды, нарушая тем самым нормальное кровообра­щение и вызывая приступы «кессонной болезни». Благо­даря замене азота гелием болезненные явления резко ослабляются вследствие гораздо меньшей растворимости гелия в крови, что особенно сказывается именно при повы­шенных давлениях. Работа в атмосфере «гелийного» воздуха позволяет водолазам опускаться на большие глубины (свыше 100 м) и значительно удлинять сроки пребы­вания под водой.

Так как плотность такого воздуха примерно в три раза меньше плотности обыч­ного, дышать им гораздо легче. Этим обусловлено большое медицинское значение гелийного воздуха при лечении астмы, удуший и т. п., когда даже кратковременное облегчение дыхания больного может спасти ему жизнь. Подобный гелийному, «ксено­новый» воздух (80% ксенона, 20% кислорода) оказывает при вдыхании сильное нар­котическое действие, что может найти медицинское использование.

Неон и аргон широко используются электротехнической промышленностью. При прохождении электрического тока сквозь заполненные этими газами стеклянные трубки газ начинает светиться, что применяется для оформления световых надписей.

Мощные неоновые трубки этого типа особенно пригодны для маяков и других сигнальных устройств, так как их красный свет мало задерживается туманом. Цвет свечения гелия по мере уменьшения его давления в трубке меняется от розового через желтый к зеленому. Для Аr, Кr и Хе характерны различные оттенки голубого цвета.

Аргон (обычно в смеси с 14% азота) служит также для заполнения электроламп. Вследствие значительно меньшей теплопроводности еще лучше подходят для этой цели криптон и ксенон: заполненные ими электролампы дают больше света при том же расходе анергии, лучше выдерживают перегрузку и долговечнее обычных.

Редактор: Харламова Галина Николаевна