Адсорбция инертных газов

АДСОРБЦИЯ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

Способность газов, жидкостей и растворенных тел концентрироваться на поверхности твердых тел — выражена у инертных газов также слабо. Правда, с понижением температуры она возрастает, тем не менее и при 100° ниже нуля гелий и неон мало склонны адсорбироваться даже на активированном угле. Только при минус 185° гелий начинает проявлять эту способность. Чем выше атомная масса инертного газа и соответственно температура его кипения, тем значительнее его способность к адсорбции.

 
Всё инертные газы диамагнитны. Это значит, что их магнитная восприимчивость отрицательна; они оказывают сопротивление прохождению сквозь них магнитных силовых линий в большей мере, чем пустота. Этот эффект находится в согласии с представлением о замкнутом состоянии электронной оболочки атомов инертных газов. В самом деле, электрон можно рассматривать как мельчайший магнитик, и поскольку все входящие в состав атома электроны спарены, то результирующий магнитный момент атома равен нулю.
 
У ксенона диамагнитная восприимчивость в 22 раза больше, чем у гелия, так как она пропорциональна числу электронов в атоме и квадратам их расстояний от ядра.
Какие бы свойства инертных газов мы ни рассматривали, все они с увеличением порядкового номера элемента — от гелия до радона — меняются монотонно, в одном и том же направлении. Причина этого одна: нарастание радиуса атома и увеличение числа электронов вокруг ядра. С ростом числа слоев электронной оболочки ослабевает связь внешних электронов с ядром; это усиливает способность молекулы деформироваться. А деформация в свою очередь повышает поляризацию молекулы и способствует образованию в ней диполя. Таков путь к усилению молекулярной связи и, как увидим ниже, к появлению слабой химической связи. Деформируемость ксенона в 20 раз превышает деформируемость гелия, и неудивительно, что последний намного труднее растворить, адсорбировать, перевести в жидкое состояние и т. д.
 
Химическая безучастность инертных газов дает, казалось бы, основание думать, что они не оказывают никакого действия на живые организмы. Но это не так. В 1936 г. советский токсиколог и фармаколог Н. В. Лазарев пришел к заключению, что наркотическое действие вещества тем сильнее, чем менее полярны его молекулы. Отсюда, в частности, следовал экспериментально подтвержденный вывод, что инертные газы — сильные наркотики, действие которых, однако, ослабляется их малой растворимостью. Практически безвреден только гелий, так как он очень мало растворим в лимфе, крови и других жидкостях организма. У более тяжелых инертных газов вместе с нарастанием растворимости в тканях нервных клеток усиливается наркотическое действие, сходное с опьянением алкоголем. Более всего оно проявляется у ксенона, который высоко оценивается в хирургии как анестетик. Наркотическое действие аргона начинает проявляться при давлении 1220 мм рт. ст., криптона — 350, а ксенона всего при 160. 3 >
 
С недавних пор инертные газы стали играть роль буревестников, сообщающих о приближении землетрясения. Узбекские и московские ученые Г. А. Мавлянов, В. И. Уломов, А. Н. Султанхаджаев, Л. В. Горбушина и другие в последнее десятилетие изучали важную закономерность, которая открывает путь к прогнозированию землетрясений: во время землетрясения и в период, предшествующий ему, повышается концентрация некоторых микроэлементов в подземных водах,  находящихся недалеко от зоны эпицентра. Такими элементами являются аргон, уран, фтор и особенно радон и гелий.
Накануне ташкентского землетрясения 1966 г. содержание радона в местной термоминеральной воде возросло почти в 5 раз, а после землетрясения оно быстро снизилось до обычной величины. То же явление обнаружилось во время землетрясения 1968 г. в Дагестане и других сейсмоактивных районах. Оно позволило предсказать землетрясение в Саракамыше в 1970 г. за три месяца до его начала.
 
Вероятный    механизм    этого   феномена   геохимик Н. И. Хитаров объясняет так. Упругие колебания в зоне землетрясения появляются задолго до его начала. Они распространяются по водовмещающим горным породам, ускоряя в|них физико-химические процессы, включая и обогащение подземных вод микроэлементами. Одновременно  возникают зоны нарушения сплошности пород и усиливается их дегазация. Все это способствует выщелачиванию из пород микроэлементов глубинными водами и ускоряет смешение последних с поверхностными водами, где концентрация инертных газов, как правило, ниже.
 
По плотности инертные газы делятся на легкие и тяжелые. К первым относятся гелий и неон, ко вторым все прочие; они тяжелы не только в газообразном состоянии, но и в жидком. Жидкий гелий в 8 раз легче воды, тогда как жидкий криптон тяжелее воды в 2,4 раза, а ксенон — в 3 раза.
 
Коллективы молекул . Частица инертного газа как атом обречена на вечное одиночество, но как молекула при известных условиях может войти в коллектив себе подобных и даже иных молекул. Дело в том, что, помимо химической (межатомной) связи, существуют физические силы взаимодействия между молекулами. Благодаря этим силам происходит сцепление молекул; без них распадались бы кристаллы твердых тел, газ или пар не мог бы сгуститься в жидкость, а жидкость превратиться в твердое тело. А так как недеятельные газы образуют жидкости и твердые тела, то нет сомнения, что между ними также действуют силы межмолекулярных связей.
 
В 1871 г. голландский физик Вандер-Ваальс дал первую количественную формулировку силам притяжения и отталкивания между молекулами; это позволило ему вывести уточненное уравнение состояния газов, пригодное не только для идеальных, но и для реальных газов. С того времени межмолекулярные силы стали часто называть вандерваальсовыми силами.
Какова природа этих сил? Они — электрического происхождения, хоть и способны проявляться в различных формах, Однако молекулы и атомы электрически нейтральны, и силы взаимодействия возникают у них только в результате поляризации молекул, т. е. смещения (деформации) внешних электронных слоев относительно ядер, что приводит к неравномерному распределению электронной плотности в молекуле. Можно представить себе две такие точки в молекуле, которые играют роль центров электрических зарядов — одна положительного, другая отрицательного. Если электричество распределено в молекуле равномерно, точки эти совпадают, и молекула в этом случае неполярна. Таковы молекулы инертных газов и симметричные молекулы, имеющие чисто атомную связь (водорода, кислорода и т. п.).
 
Значительно чаще центры электрических зарядов не совпадают. Тогда мы имеем дело с полярными молекулами. Их называют диполями, подразумевая под этим систему из двух одинаковых по величине и противоположных по знаку зарядов, отдаленных друг от друга на некоторое расстояние, которое не может превышать 10 см, т. е. среднего диаметра самой молекулы.
 
Если полярные молекулы являются постоянными диполями, то многие неполярные молекулы могут временно стать полярными, если они очутятся в электрическом поле, например по соседству с полярными молекулами или между пластинками конденсатора. При этом заряды в молекуле смещаются, сама она деформируется, в ней появляется наведенный (индуцированный) диполь. Чем больше число и размеры входящих в молекулу атомов, тем значительнее проявляется ее деформация, так как с расстоянием связь между ядром и электронами ослабевает. Теперь можно представить картину сцепления молекул. В хаотическом беспорядке теплового движения перемещаются, одновременно вращаясь, полярные молекулы с постоянными или наведенными диполями. Некоторые из них встречаются разноименными полюсами. Стяжение молекул сопровождается выделением энергии; уменьшается потенциальная энергия системы, она становится более устойчивой. Сблизившись же одноименными полюсами, молекулы оттолкнутся и обязательно разбегутся в разные стороны; в итоге встреча окажется безрезультатной.
 
К паре сориентировавшихся «плюсом» к «минусу» молекул присоединяется рой новых, точно так же ориентированных молекул; этот рой растет наподобие лавины. Это еще более усиливает процессы поляризации и деформации и способствует дальнейшему сближению молекул.   Описанным путем однородные молекулы конденсируются в жидкие и твердые агрегаты. Неоднородные молекулы, соединяясь под действием вандерваальсовых сил, образуют сольваты (соединения молекул растворителя и растворенного вещества), твердые кристаллогидраты и некоторые виды комплексных соединений, иной раз довольно прочных. В среднем, однако, силы межмолекулярной связи в 100 раз слабее сил химической связи. Если для последних характерно свойство насыщаемости, то молекулярные силы его лишены: электрическое поле одного диполя может одновременно влиять на поля нескольких близких диполей.
 
Теперь посмотрим, каков путь объединения молекул недеятельных газов в коллективы, образующие жидкие и твердые тела. Оказывается, описанная схема к ним не вполне применима. Электронные структуры атомов здесь настолько симметричны и замкнуты, что из них нельзя получить диполей — ни постоянных, ни наведенных. Тем не менее эти газы удается, хоть и с трудом, перевести в жидкое и твердое состояние. Стало быть, существуют еще какие-то молекулярные силы, кроме электростатического притяжения диполей.
 
Они были найдены около полувека назад с помощью квантовомеханических представлений. Теоретики рассчитали, а экспериментаторы подтвердили, что, помимо эффекта ориентации и индукции диполей, существует еще третий тип сил межмолекулярцого взаимодействия, названных немецким ученым Ф. Лондоном дисперсионными силами. Они возникают также вследствие взаимной поляризации молекул, но тут участвуют особого рода диполи, появляющиеся периодически, очень часто и на ничтожно короткие отрезки времени. Эти системы обязаны своим происхождением повторяющимся временным смещениям части электронных орбит относительно ядер; ведь не только электроны вращаются по орбитам, но и ядра колеблются около своих положений равновесия.
 
Далее все идет так, как описано выше: короткопериодические диполи встречных атомов ориентируются разноименными полюсами и притягиваются друг к другу.
Дисперсионные силы универсальны — в большей или меньшей мере они проявляются при взаимодействии любых молекул. Например, в энергии сил межмолекулярного взаимодействия воды их доля составляет 19%, аммиака — 50%, окиси углерода — 99,9%, а у инертных газов — все 100%. Зная это, а также относительную  слабость дисперсионных сил и способность их проявляться лишь в наиболее тесном контакте молекул, становится понятным, почему требуется глубокое охлаждение для ожижения и отвердевания инертных газов. Чем больше энергии мы отнимаем от вещества, тем более вялым становится тепловое движение его молекул, тем теснее их контакт между собой.
 
Значительно выражены силы межмолекулярного взаимодействия у тяжелых инертных газов, в особенности у радона и ксенона, так как дисперсионные силы обладают еще и свойством аддитивности. Это значит, что величина их тем больше, чем значительнее масса взаимодействующих молекул. В этом же причина резкого повышения температур кипения и плавления по мере нисхождения по шести ступеням-периодам от гелия к радону.
 
В термодинамике фигурирует характеристическая функция, именуемая энтропией (S). Она имеет весьма широкий физический смысл. Это всеобщая мера беспорядка в системе, мера рассеивания ею энергии. Советский физико-химик А. Ф. Капустинский показал, что величины энтропии простых веществ являются периодической функцией их атомных номеров, а советский физико-химик Ю. С. Черкинский установил, что максимальной энтропией в каждом периоде обладают именно инертные газы. Это согласуется с тем, что атомы последних взаимодействуют друг с другом меньше атомов других элементов, стало быть, система, состоящая из инертного газа, наименее упорядочена. Это свойство инертных газов объясняет большие величины их атомных объемов, иными словами — объемов, занимаемых грамм-атомами веществ в твердом состоянии.
Из рекордно больших значений энтропии напрашивается и такой вывод: газы заслуженно носят эпитет «инертные» не только с точки зрения реакционной способности, но и термодинамики. Ведь чем больше величина энтропии вещества, тем значительнее та часть его энергии, которую невозможно превратить в работу, включая и химическую работу.
 
Поскольку силы сцепления между атомами инертных газов малы, то неудивительно, что их точки плавления близки к точкам кипения, как ни у одного другого элемента. Промежуток, отделяющий температуру плавления от температуры кипения у пяти членов нулевой группы, меньше 4°, а у неона даже 2,91°.
 
Слабость молекулярных сил связи обусловливает и исключительно малые значения теплот испарения и плавления инертных газов: достаточно слабого теплового возбуждения, чтобы вызвать плавление отвержденных и кипение сжиженных газов. Чем больше атомный номер инертного газа, тем выше величины теплот испарения и плавления, так как возрастает деформируемость, а с ней и поляризуемость атомов.
 
Слабость сил связи между молекулами накладывает отпечаток и на прочие важнейшие свойства инертных газов, в частности на их растворимость. Недеятельные газы растворяются в воде и других жидкостях хуже, чем все остальные газы. Менее всех растворим гелий — самый легкий и подвижный после водорода газ. В литре воды растворяется менее 10 см3 гелия — это в два с лишним раза меньше, чем водорода, и в 51 000 раз меньше, чем хлористого водорода. Лучше, но все же плохо растворяются инертные газы в некоторых органических жидкостях и сжиженных газах.
Статья на тему Адсорбция инертных газов