Страницы Список страниц 28 29 30 31 32 · · ·  45                    

ГЛАВА VII БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ

§ 90. Общая характеристика элементов главной подгруппы VIII группы

В состав главной подгруппы VIII группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева входит семейство так называемых благородных газов — гелий Не, неон Ne, аргон Аr, криптон Кr, ксенон Хе, радон Rn. Эти элементы известны также под названием инертные газы, так как в начале их изучении не было экспериментальных доказательств, свидетельствующих о способности этих элементов образовывать химические соединения. В настоящее время уже известны их многочисленные соединения, поэтому название «инертные» более правильно заменить словом «благородные».

Распределение электронов по энергетическим уровням атомов элементов главной подгруппы VIII группы. Таблица 16
Элемент
Заряд ядра
Энергетические уровни
Радиус атома, Å
K
L
M
N
O
P
Q
2
10
18
36
54
86
2
2
2
2
2
2
8
8
8
8
8
8
18
18
18
8
18
32
8
18
8
1,22
1,60
1,91
2,01
2,20
2,31

Атомы благородных газов, как видно из табл. 16, имеют завершенную структуру внешнего электронного слоя, что затрудняет образование ими соединений. Этим объясняется и то, что в отличие от других простых газов благородные газы имеют одноатомные молекулы.

Легче всего соединения благородных газов образуются по донорно-акцепторному типу связи, однако известны и ковалентные соединения, но весьма неустойчивые, например XeF6, который легко взрывается при ударе, XeF4, ХеO4 и др. Эти соединения могут образовывать лишь «возбужденные» атомы благородного газа. «Возбуждение» атома, т. е. «распаривание» электронов внешнего слоя для образования химической связи, может произойти лишь в том случае, если это энергетически выгодно, т. е. когда на том же внешнем уровне имеются свободные орбитали, на которые могут перейти электроны. Например, атом неона имеет второй полностью завершенный энергетический уровень L.

Благородные газы, неон

Свободных орбиталей на этом уровне нет. Возбудить атом неона — значит перевести часть его электронов на другой, более высокий уровень М, что энергетически весьма невыгодно. Поэтому ковалентные связи у неона обнаружить не удается.
У атома аргона распределение электронов на внешнем-(третьем) уровне следующее

Благородные газы, аргон

Как показывает схема, у атома аргона в невозбужденном состоянии третий энергетический уровень М имеет 5 незанятых d-орбиталей, на которые при возбуждении атома могут переходить электроны. Это орбитали одного и того же уровня, поэтому для возбуждения атома аргона требуется меньше энергии, чем для атома неона.
Еще легче возбуждаются и, следовательно, вступают в химические реакции атомы криптона, ксенона, радона. С увеличением радиуса атома уменьшается затрата энергии, необходимой для его возбуждения и, следовательно, увеличивается реакционная способность элемента. Другими словами, реакционная способность благородных газов увеличивается от гелия к радону. Устойчивость соединений этих элементов возрастает в том же направлении.

■ 1 . Чем объяснить первоначальное размещение благородных газов в нулевой группе периодической системы, а затем последующее их перенесение в VIII группу? (См. Ответ)
2. Почему атом криптона легче возбудить, чем атом неона?
3. Почему молекула хлора двухатомна, а неона — одноатомна?
4. Почему гелий и неон не образуют соединений с ковалентной связью?
5. Как зависит реакционная способность благородных газов от радиуса атома? (См. Ответ)

§ 91. Свойства благородных газов

Физические свойства благородных газов приведены в табл. 17.

Физические свойства благородных газов. Таблица 17
Элемент
Порядковый номер
Атомный вес, у. е.
Плотность, г/л
Температура кипения, °С
Температура плавления, °С
Гелий Не
2
10
18
36
54
86
4,026
20,179
38,948
83,80
131,3
222
0,17848
0,899
1,7837
3,736
5,851
9,96
—268,9
—245,9
— 185,87
—153,2
—107,1
—65
—272,6
—248,6
—189,3
—156,6
—111,8
—71

Благородные газы не имеют запаха, вкуса, бесцветны во всех агрегатных состояниях.
Из всех благородных газов уникальными свойствами обладает гелий. Он в 7 раз легче воздуха, особенно трудно сжижается, крайне мало растворим в воде (в 100 объемах воды при нормальных условиях растворяется 1 объем гелия). В жидком состоянии гелий обладает сверхпроводимостью и сверхтекучестью. Растворимость остальных газов повышается с возрастанием атомного веса и у радона достигает 50 объемов в 100 объемах воды. Остальные благородные газы также хорошо проводят электрический ток.

О химических свойствах благородных газов уже говорилось выше (§90). Наиболее полно изучены химические свойства ксенона, его фториды, оксиды и соединения с металлами платиновой группы. Однако есть данные о соединениях криптона и радона.
Следует заметить, что благородные газы имеют очень характерные спектры. Это позволяет легко обнаруживать их и различать между собой, что и используется для их аналитического определения.

■ 6. Чем объяснить то, что название «инертные» газы пришлось изменить на «благородные»? (См. Ответ)

§ 92. Применение и получение благородных газов

Применение благородных газов связано с особенностью их свойств. Легкость и негорючесть гелия позволили использовать его первоначально в воздухоплавании при строительстве дирижаблей. Низкая растворимость его в воде привела к использованию этого газа для изготовления газовой смеси для дыхания при кессонных и водолазных работах.
Широко применяются благородные газы в светотехнике. В газосветных разрядных лампах они светятся разными цветами: неон — розовым, аргон — синим, криптон — зеленым. Это позволяет использовать их в световых рекламах, а неон — и на маяках. Наполняемые аргоном электрические лампочки накаливания долговечнее, чем наполняемые азотом. При заполнении ламп криптоном или ксеноном возрастает светоотдача, а колбы таких ламп можно делать значительно меньше. В люминесцентные лампы также добавляют немного аргона или криптона для лучшей их работы. Благородные газы используются и в телевизионной аппаратуре.

В связи с химической инертностью благородные газы, главным образом аргон и гелий, используют для работы в их атмосфере с некоторыми металлами, к которым предъявляются требования особой чистоты и точности обработки. Гелий имеет очень большое значение для получения сверхнизких температур.
Ксенон и радон нашли применение в медицине: ксенон — при рентгеноскопии головного мозга, радон — в физиотерапии (радоновые ванны). Смесь криптона с кислородом оказывает наркотизирующее действие.

■ 7. Начертите в тетради_и заполните приведенную ниже таблицу. (См. Ответ)

Применение благородных газов
Название газа
Свойство, определяющее применение
Применение

8. Имеется 3 цилиндра. В одном из них находится кислород, в другом — азот, в третьем — аргон. Как распознать, в каком цилиндре какой газ? Каким реактивом при этом следует воспользоваться? Подтвердите свой ответ уравнениями реакций.
Благородные газы — неон, аргон, криптон и ксенон — получают из воздуха. Для их полной очистки от примесей азота пользуются многократной фракционной перегонкой, пропусканием при нагревании над металлическим литием и пылевидным титаном. Разделение смеси благородных газов можно произвести при помощи активированного угля. Чем больше атомный вес газа, тем выше его поглощаемость углем.
Благородные газы содержатся в небольших количествах в земной атмосфере. Больше всего (0,9% по объему) в ней содержится аргона. Аргон поступает в атмосферу из земной коры при радиоактивном распаде изотопа калия 40 К. Гелий встречается в составе залежей природных газов или впитывается рыхлыми горными породами, из которых его можно извлекать. Огромное количество гелия обнаружено на солнце. Он и открыт был именно при спектроскопическом исследовании солнечного света.
Радон встречается в воде минеральных источников в растворенном виде (Цхалтубо).

■ 9. Рассчитайте, сколько весит при нормальных условиях 1 м3-газовой смеси, состоящей на 30% из водорода и на 70% из гелия по объему. (См. Ответ)
10. Какие из благородных газов легче воздуха?
11. Какова плотность аргона по водороду?
12. Каков молекулярный вес криптона, если его плотность по водороду равна 42? (См. Ответ)

30

29 31