До конца прошлого столетия полагали, что воздух состоит только из кислорода и азота. Но в 1894 г. английский физик Рэлей обратил внимание на то, что удельный вес азота, полученного из воздуха, всегда несколько больше, чем удельный вес чистого азота, полученного из его соединений. В то время как литр первого весит 1,2572 г, литр второго весит 1,2505 г. Открытием Рэлея заинтересовался профессор химии Рамзай, высказавший предположение, что разница в весе зависит от примеси к азоту какого-то более тяжелого газа. Оба ученых предприняди исследование атмосферного азота. Чтобы выделить из него предполагаемый газ, Рамзай воспользовался способностью азота соединяться при нагревании с магнием с образованием нитрида магния Mg3N2. Многократно пропуская атмосферный азот сквозь трубку с накаленным магнием, Рамзай получил в остатке некоторое количество тяжелого газа, не соединяющегося с указанным металлом. Рэлей пошел по другому пути: он подвергал смесь азота и кислорода действию электрических искр. При этих условиях азот соединялся с кислородом в окись азота NО, переходящую затем в двуокись азота NО2; последняя поглощалась раствором щелочи. В результате Рэлей тоже выделил из атмосферного азота небольшое количество газа, не соединяющегося с кислородом под действием электрических искр. Таким образом в воздухе был открыт новый, до того времени не известный газ, названный аргоном.
Аргон Аr представляет собой бесцветный газ, который почти в полтора раза тяжелее воздуха: 1 л его весит при нормальных условиях 1,7809 г. Аргон является химическим элементом, его атомный вес 39,944. В химическом отношении аргон характеризуется полной пассивностью, откуда и произошло его название (аргон по-гречески — недеятельный). Он не соединяется ни при каких условиях ни с одним из элементов.
Вслед за аргоном были открыты еще четыре газообразных элемента: гелий Не, неон Ne, криптон Кr и ксенон Хе, содержащиеся в воздухе в ничтожных количествах. Вместе с аргоном они получили название инертных газов, так как, подобно аргону, отличаются неспособностью вступать в реакции с другими элементами. В связи с этим находится и другая особенность инертных газов, заключающаяся в том, что молекулы их состоят только из одного атома, иначе говоря, атомы их не соединены в молекулы.
Кроме перечисленных выше элементов, к инертным газам относится открытый при изучении радиоактивных превращений элемент радон Rn, иногда называемый также эманацией или нитоном. В атмосферном воздухе он, по видимому, содержится в ничтожном количестве.
Инертные газы являются теми элементами, которые заканчивают собой каждый период в таблице Менделеева; все вместе они образуют так называемую нулевую группу периодической системы. Кроме гелия, все они имеют в наружном слое атома восемь электронов, образующих очень устойчивую систему. Так же устойчива и наружная оболочка гелия, состоящая из двух электронов. Поэтому атомы инертных газов не склонны ни отдавать, ни присоединять электроны.
ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ
| Название элемента | Символ | Атомный вес | Порядковый номер | Распределение
электронов по слоям
|
|||||
| Гелий | Не | 4,003 | 2 | 2 | |||||
| Неон | Ne | 20,183 | 10 | 2 | 8 | ||||
| Аргон | Аr | 39,944 | 18 | 2 | 8 | 8 | |||
| Криптон | Кr | 83,80 | 36 | 2 | 8 | 18 | 8 | ||
| Хе | 131,30 | 54 | 2 | 8 | 18 | 18 | 8 | ||
| Радон | Rn | 222 | 86 | 2 | 8 | 18 | 32 | 18 | 8 |
Инертные газы не соединяются ни с какими элементами, поэтому их атомные веса не могли быть определены обычными методами. Для нахождения атомных весов инертных газов был применен чисто физический способ, основанный на определении отношения теплоемкости газа при постоянном давлении к его теплоемкости при постоянном объеме. По величине этого отношения можно судить о числе атомов в молекуле газа. Таким путем было установлено, что молекулы инертных газов состоят из одного атома и, следовательно, их молекулярные веса равны их атомным весам.
Физические свойства инертных газов и содержание этих газов в воздухе характеризуются данными, приведенными в табл. 17. Эти данные показывают, что точки плавления и кипения инертных газов лежат тем ниже, чем меньше их атомные веса или порядковые номера: самую низкую точку кипения имеет гелий, самую высокую — радон.
На различии температур кипения основано отделение инертных газов друг от друга.
Хотя инертные газы не вступают в реакции с другими элементами, однако при низких температурах молекулы некоторых инертных газов могут связываться с молекулами воды, причем получаются неустойчивые соединения типа гидратов, содержащие по шесть молекул воды. Образование этих гидратов объясняется тем, что в электрическом поле, создаваемом сильно полярными молекулами воды, неполярные молекулы инертных газов поляризуются, в них возникают индуцированные диполи, благодаря чему они и притягивают молекулы воды.
Таблица 17
Физические свойства инертных газов
| Свойства | Гелий Не | Неон Ne | Аргон Аr | Криптон Кr | Ксенон Хе | Радон Rn |
| Вес 1 л газа в г .
Темп. плавления в °С . …… Темп, кипения в °С Приблизительное содержание в 1000 объемах |
0,18
— 272,2 — 268,9 0,0046 |
0,90
— 248,6 — 245,9 0,016 |
1,78
— 189,4 — 185,8 9,323 |
3,74
— 157 — 152,9 0,001 |
5,89
— 111,5 — 108 0,00008 |
9,73
— 71 — 61,8 — |
Гидраты инертных газов тем устойчивее, чем выше атомный вес газа. Наиболее устойчив гидрат ксенона, но и он может существовать при 0° только под повышенным давлением (1,45 ат). Гидраты гелия и неона вообще не удалось получить.
Получены также сравнительно устойчивые молекулярные соединения тяжелых инертных газов с некоторыми органическими веществами: фенолом, толуолом и др.
Самым интересным из инертных газов является гелий. История его открытия может служить блестящим примером могущества науки. Впервые гелий был открыт в 1868 г. двумя астрономами — французом Ж. Жансеном и англичанином Н. Локьером при изучении спектров атмосферы и протуберанцев солнца. В этих спектрах обнаружилась яркожелтая линия, которая не встречалась в спектрах элементов, известных в то время на земле. Присутствие этой линии было приписано существованию на солнце нового элемента, не известного на земле, который в честь солнца получил название гелий. Спустя почти 30 лет после этого английский химик Рамзай при нагревании редкого минерала клевеита получил газ, который оказался тождественным с гелием, обнаруженным на солнце. Таким образом, гелий был открыт на солнце гораздо раньше, чем его нашли на земле.
После водорода гелий является самым легким из всех газов. Он более чем в 7 раз легче воздуха.
Долгое время гелий оставался единственным газом, который не поддавался сжижению. Наконец, в 1908 г. удалось превратить гелий в жидкость, кипящую при температуре —268,9°. При испарении жидкого гелия была получена самая низкая (из известных на земле) температура, всего на несколько десятых градуса выше абсолютного нуля. В1926 г. гелий впервые был обращен в твердое состояние. Твердый гелий — прозрачное вещество,, плавящееся при —272,2° под давлением в 26 ат.
На земле гелий встречается не только в атмосфере. Значительные количества его выделяются в некоторых местах из недр земли вместе с так называемыми «природными газами» (смесь различных горючих газов). Воды многих минеральных источников тоже выделяют гелий.
Вследствие своей легкости и инертности, гелий применяется вместо водорода для наполнения аэростатов. Хотя он в два раза тяжелее водорода, его подъемная сила меньше подъемной силы водорода всего на 8%. Огромным преимуществом гелия перед водородом является то, что он не горюч. Поэтому при замене водорода гелием устраняется всякая опасность воспламенения или взрыва. Широкому использованию гелия в воздухоплавании препятствует трудность его получения.
Очень важным является применение гелия при подводных работах. Подача водолазам искусственного воздуха, в котором азот заменен гелием, позволяет значительно удлинить время их пребывания под водой и резко ослабляет болезненные явления,, вызываемые изменением давления при подъеме на поверхность воды.
Жидким гелием пользуются для получения очень низких температур.
Инертные газы нашли широкое применение в электротехнике. Аргон, ввиду его не активности и ничтожной теплопроводности, служит в смеси с азотом для наполнения электрических ламп. Аргоном наполняют также трубки для световых реклам; эти трубки испускают голубой свет. Неон применяется для наполнения рекламных трубок, светящихся ярким оранжево-красным светом. Кроме того, неоновыми трубками пользуются в электротехнике в качестве выпрямителей и для других целей. Криптон и ксенон еще менее теплопроводны, чем аргон, поэтому наполненные ими электрические лампы более долговечны и экономичны, чем лампы, наполненные азотом или аргоном.
Вы читаете, статья на тему Инертные газы