Инертные газы

Содержание: 

I. Вступление……………………………………………………………………….2

1.1. Инертные газы – элементы VIIIА  группы………………..………………....3

II. История открытия газов……………………………………………..................7

2.1 Аргон……………………………………………..……………………..…….…7

2.2 Гелий…..…………..………………………………………………………...…..8

2.3 Криптон…..………………………………………………..………………..…..9

2.4 Неон…………..……………………………………………..………………..…9

2.5 Ксенон……………..…………………………………………….………..…….9

2.6 Радон…………………………………………………………..……………….10

III. Свойства инертных газов и их соединений……………………………........10

3.1 Физические  свойства инертных газов…………………..……………..…….10

3.2 Химические свойства инертных газов…………………..………………......11

IV. Нахождение инертных газов в природе …………………………………….19

V. Производство и применение инертных газов ……………………………….22

VI. Физиологическое действие инертных газов и их влияние на живые организмы……………………………………….……….………………………..29

VII Заключение……………………………………………………………………31

VIII.Список использованной литературы…..…………………………………...33

IX. Приложение …………………………………………………………………..34 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

I. Вступление. 

     Газ (газообразное состояние) (от греч. χάος — хаос) — агрегатное состояние  вещества, характеризующееся очень  слабыми связями между составляющими  его частицами, (молекулами, атомами  или ионами), а также их большой  подвижностью. Частицы газа почти  свободно и хаотически движутся в  промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения.

     Газообразное  состояние вещества в условиях, когда  возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого  же вещества, обычно называется паром.

Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда).

Газообразное  состояние — самое распространённое состояние вещества Вселенной (межзвёздное  вещество, туманности, звёзды, атмосферы  планет и т. д.). По химическим свойствам  газы и их смеси весьма разнообразны — от малоактивных инертных газов  до взрывчатых газовых смесей. К  газам иногда относят не только системы  из атомов и молекул, но и системы  из других частиц — фотонов, электронов, броуновских частиц, а также плазму.

     Везде и повсюду нас окружает атмосферный  воздух. Из чего он состоит? Ответ не составляет труда: из 78,08 % азота, 20,9% кислорода, 0,03 % углекислого газа, 0,00005 %  водорода, около 0,94 % приходится на долю так называемых инертных газов. Последние были открыты всего лишь в конце прошлого столетия. Инертные газы своего рода молодые элементы по сравнению с ранее открытыми водородом и кислородом, однако имеют широкий спектр использования человеком. Природа благородных газов до конца не изучена. Они для человечества остаются загадкой которая в ближайшее время будет разгадана. Что же такое инертный газ? В чём его отличие от всех остальных газов существующих в природе? Зачем природе то, что называется инертным?

Целью моей работы было:

• изучить особенности строения инертных газов и их

          местоположения в периодической системе

               химических  элементов Д.И.Менделеева; 

• познакомиться с историей открытия багородных газов, местонахождением в природе и их применением в жизни человека;

• закрепить и расширить имеющиеся знания о химических и физических  свойствах данных элементов.

1. Инертные газы  – элементы 8А  группы. 
 

После лютеция  в периодической системе элементов  неоткрытым остался только один лантаноид. Но в те годы знать о том, что  он должен существовать, еще никто  не мог. Абсолютно точные предсказания возможности существования того или иного химического элемента могли быть сделаны только через  шесть лет после открытия лютеция - тогда, когда вместо атомного веса фактором, определяющим конструкцию  периодической системы, стал порядковый номер химического элемента, численно равный заряду ядра. Пока этого не произошло, периодическая таблица не препятствовала многочисленным попыткам открыть несуществующие элементы. Одну такую ошибку совершил и Жорж Урбен. В 1911 году он объявил, что  им открыт новый элемент, которому он дал название «кельтий».

Наряду с правильными  предсказаниями периодическая таблица  элементов - в том виде, в каком  она существовала до 1913 года, особенно в периферийных своих частях - не исключала возможности и неправильных предсказаний. И это несмотря на значительные успехи в понимании  местоположения инертных газов и  редкоземельных металлов.

Благородные газы, редкие газы, химические элементы, образующие главную подгруппу 8-й группы периодической системы Менделеева: Гелий Не (атомный номер 2), Неон Ne (10), Аргон Ar (18), Криптон Kr (36), Ксенон Xe (54) и Радон Rn (86). Из всех Инертных газов   только Rn не имеет стабильных изотопов и представляет собой радиоактивный химический элемент.

         Название Инертных газов отражает химическую инертность элементов этой подгруппы, что объясняется наличием у их атомов устойчивой внешней электронной оболочки, на которой у гелия Не находится 2 электрона, а у остальных Инертных газов по 8 электронов. Удаление электронов с такой оболочки требует больших затрат энергии в соответствии с высокими потенциалами ионизации атомов Инертных газов (см. Таблицу 1).

Инертные газы имеют степени окисления +1, +2, +4, +6 и +8. При этом существенно, что для объяснения строения этих соединений не потребовалось принципиально новых представлений о природе химической связи, и связь в соединениях Инертных газов хорошо описывается, например, методом молекулярных орбиталей. Из-за быстрого радиоактивного распада Радона

Rn его соединения  получены в ничтожно малых  количествах и состав их установлен  ориентировочно. Соединения Xe значительно  стабильнее соединений Криптона Kr, а получить устойчивые соединения Аргона Ar и более лёгких Инертных газов пока не удалось. 
 
 
 
 
 
 

II. История открытия инертных газов. 
 
 

     Поступки  скверных  людей  приносят  лишь

     временное  зло,  поступки же  хороших  людей 

                                                        дают лишь временное благо. Но открытия

                                                      великих  людей  никогда  не  покидают  нас;

                                                                                                   они бессмертны. 

     История цивилизации. П. Т. Боклъ. 
 

     Открытие  инертных газов представляло собой трудную задачу: так как содержание этих элементов в природе очень мало, а так же, из-за их химической пассивности.(таблица № 2)

     История открытия инертных газов представляет большой интерес: во-первых, как триумф введённых Ломоносовым количественных методов хи-мии (открытие аргона), а во-вторых, как триумф теоретического предвидения (открытие остальных инертных газов), опирающегося на величайшее обобщение химии – периодический закон Менделеева.

     К концу 18 века были обнаружены многие из известных газов. К ним относились: кислород – газ, поддерживающий горение; углекислый газ – его можно  было легко обнаружить по весьма примечательному  свойству: он мутил известковую воду; и, наконец, азот, горение не поддерживающий и на известковую воду не действующий. Таков был в представлении химиков того времени состав атмосферы, и никто, кроме известного английского ученого лорда Кавендиша, не сомневался в этом. И у него был повод для сомнения.

  Ещё 1785 году английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенно устойчивый химически. На долю этого газа приходилась примерно одна сто двадцатая часть объема воздуха. Но что это за газ, Кавендишу выяснить не удалось. Он проделал довольно простой опыт. Прежде всего он удалил из воздуха углекислый газ. На оставшуюся смесь азота и кислорода он подействовал электрической искрой. Азот, реагируя с кислородом, давал бурные пары оксидов азота, которые, растворяясь в воде, превращались в азотную кислоту. Эта операция повторялась многократно.

     Однако  немного менее одной сотой  части объема воздуха, взятого для  опыта, оставалась неизменной. К сожалению, этот эпизод был забыт не многие годы.

Об этом опыте  вспомнили 107 лет спустя, когда Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей) натолкнулся  на ту же примесь, заметив, что азот воздуха тяжелее, чем азот, выделенный из соединений.

2.1 Аргон. 

     История открытия аргона могла бы послужить  основой для хорошего детектива. Сообщению об открытии нового газа поверили далеко не все химики. Усомнился  в нем и сам Менделеев. Открытие аргона, казалось, могло привести к  тому, что все «здание» периодической  системы рухнет. Аргон не имел в  таблице аналогов, ему вообще не находилось места в периодической  системе: куда, скажите, можно поместить  элемент, лишенный химических свойств? 

Восемнадцатый элемент.

     Аргон относится к числу благородных  газов, а история изобилует поистине драматичными моментами.

     Спустя  два года Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно  есть примесь неизвестного газа, более  тяжелого, чем азот. Газ вел себя парадоксально: он не вступал в реакции  с хлором, металлами, кислотами, щелочами, т.е. был абсолютно химически инертен. И еще одна неожиданность: Рамзай доказал, что молекула этого газа состоит из одного атома, — а до той поры одноатомные газы были неизвестны.

     Когда Рэлей и Рамзай выступили с  публичным сообщением о своем  открытии, это произвело ошеломляющее впечатление. Многим казалось невероятным, чтобы несколько поколений ученых, выполнивших тысячи анализов воздуха, проглядели его составную часть, да еще такую заметную — почти  процент! Кстати, именно в этот день и час, 13 августа 1894 года, аргон и  получил свое имя (от греч. «аргос»  — «ленивый», «безразличный»).

     Сообщению об открытии нового газа поверили далеко не все химики, усомнился в нем  и сам Менделеев. Открытие аргона, казалось, могло привести к тому, что все «здание» периодической  системы рухнет. Атомная масса  газа (39,9) указывала ему место  между калием (39,1) и кальцием (40,1). Но в этой части таблицы все  клетки были давно заняты. Аргон  не имел в таблице аналогов, ему  вообще не находилось места в периодической  системе.

     Поэтому официальное признание аргон  получил лишь четверть века спустя — после открытия гелия. Теперь уже  двум элементам не было места в  периодической системе. После длительных дискуссий Менделеев и Рамзай пришли к выводу, что инертным газам  нужно отвести отдельную, так  называемую нулевую группу между  галогенами и щелочными металлами.

     Химическая  инертность аргона (как и других газов нулевой группы) и одноатомность  его молекул объясняются прежде всего предельной насыщенностью  электронных оболочек.

     Из  подгруппы тяжелых инертных газов, аргон самый легкий. Он тяжелее воздуха в 1,38 раза. Жидкостью становится при -185,9°С, затвердевает при –189,4°С (в условиях нормального давления). Молекула аргона одноатомна.

     В отличие от гелия и неона, он довольно хорошо адсорбируется на поверхностях твердых тел и растворяется в  воде (3,29 см 3 в 100 г воды при 20°С). Еще  лучше растворяется аргон во многих органических жидкостях. Зато он практически  нерастворим в металлах и не диффундирует сквозь них.

     Под действием электрического тока аргон  ярко светится, и сегодня сине-голубое  свечение аргона широко используется в светотехнике. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2 Гелий.  

     У каждого элемента своя история открытия. Пожалуй, наиболее поучительная — у  гелия, ведь вплоть до конца 1930-х годов  ученые не могли окончательно опровергнуть предположение, что где-нибудь во Вселенной  могут существовать химические элементы, которых нет на Земле. Если бы это  оказалось правдой, был бы подвергнут сомнению один из главных принципов  современной науки, согласно которому все известные нам в настоящее  время законы природы действовали  и будут действовать всегда и  во всех точках Вселенной (в этом состоит  принцип Коперника).

     Ключевую  роль в истории открытия гелия  сыграл Норман Локьер, основатель одного из передовых мировых научных  изданий — журнала Nature. В процессе подготовки к выпуску журнала  он познакомился с лондонским научным  истеблишментом и увлекся астрономией. Это было время, когда, вдохновленные  открытием Кирхгофа—Бунзена, астрономы  только начинали изучать спектр света, испускаемого звездами. Локьеру самому удалось сделать ряд важных открытий — в частности, он первым показал, что солнечные пятна холоднее остальной солнечной поверхности, а также первый указал на наличие  у Солнца внешней оболочки, назвав ее хромосферой. В 1868 году, исследуя свет, излучаемый атомами в протуберанцах  — огромных выбросах плазмы с поверхности  Солнца, — Локьер заметил ряд  прежде неизвестных спектральных линий. Попытки получить такие же линии  в лабораторных условиях окончились неудачей, из чего Локьер сделал вывод, что он обнаружил новый химический элемент. Локьер назвал его гелием, от греческого helios — «Солнце».

     Ученые  недоумевали, как им отнестись к  появлению гелия. Одни предполагали, что при интерпретации спектров протуберанцев была допущена ошибка, однако эта точка зрения получала все меньше сторонников, поскольку  все большему количеству астрономов удавалось наблюдать линии Локьера. Другие утверждали, что на Солнце есть элементы, которых нет на Земле  — что, как уже говорилось, противоречит главному положению о законах  природы. Третьи (их было меньшинство) считали, что когда-нибудь гелий  будет найден и на Земле.

                В конце 1890-х годов лорд Рэлей и сэр Уильям Рамзай провели серию опытов, приведших к открытию аргона. Рамзай переделал свою установку, чтобы с ее помощью исследовать газы, выделяемые урансодержащими минералами. В спектре этих газов Рамзай обнаружил неизвестные линии и послал образцы нескольким коллегам для анализа. Получив образец, Локьер сразу же узнал линии, которые более четверти века назад он наблюдал в солнечном свете. Загадка гелия была решена: газ, несомненно, находится на Солнце, но он существует также и здесь, на Земле.

     В 1895году, через несколько месяцев после открытия аргона, почти одновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что

α-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.

     В наше время этот газ больше всего  известен в обычной жизни как  газ для надувания дирижаблей и воздушных шаров, а в науке — благодаря его применению в криогенике, технологии достижения сверхнизких температур. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3 Криптон.  

Для начала его  имя дали совершенно другому веществу. И только потом — открыли. Это  абсолютно неактивный газ: в обычных  условиях он не желает вступать в реакции  ни с какими химическими элементами. Тем не менее пассивное вещество весьма активно используется человеком.

«Секретный  газ»

     Впервые криптоном был назван газ, выделенный Уильямом Рамзаем из минерала клевеита. Но очень скоро пришлось это имя  снять и элемент «закрыть». Английский спектроскопист Уильям Крукс установил, что газ не что иное, как уже  известный по солнечному спектру  гелий. Спустя три года, в 1898 году, название «криптон» вновь появилось, его  присвоили новому элементу, новому инертному газу.

     Открыл  его, как и многие инертные газы, опять же Рамзай, и почти случайно — «шел в дверь, попал в другую». Намереваясь выделить гелий из жидкого  воздуха, ученый пошел было по ложному  следу: он пытался обнаружить гелий  в высококипящих фракциях воздуха. Разумеется, гелия, самого низкокипящего  из всех газов, там не могло быть, и Рамзай его не нашел. Зато он увидел в спектре тяжелых фракций  желтую и зеленую линии в тех  местах, где подобных следов не оставлял ни один из известных элементов. Так  был открыт криптон, элемент, имя  которого в переводе с греческого значит «скрытный», «секретный».

«Родословная» криптона

     Известно, что гелий, радон, почти весь аргон  и, вероятно, неон нашей планеты имеют  радиогенное происхождение, то есть они — продукты радиоактивного распада. А как обстоит дело с криптоном?

     Среди известных природных ядерных  процессов, порождающих криптон, наибольший интерес представляет самопроизвольное деление ядер урана и тория. Подcчеты, однако, показывают, что радиоактивный  распад (включая деление урана-235 медленными нейтронами) — не главный  «изготовитель» криптона. За время  существования Земли (если считать  его равным 5 миллиардам лет) эти  процессы смогли выработать не более  двух-трех десятых процента существующего  на нашей планете элемента №36.

Свойства  криптона

Криптон (Kr) —  моноатомный, химически инертный газ  без запаха, цвета и вкуса, негорючий, неядовитый. Это неактивный газ, он не вступает в реакции ни с какими химическими элементами в обычных  условиях.Газообразный криптон в 2,87 раза тяжелее воздуха, а жидкий —  в 2,14 раза тяжелее воды. Криптон превращается в жидкость при -153,35°С, а уже при -157,37°С криптон отвердевает.

В обычных условиях криптон дает зеленовато-голубое свечение. 

2.4 Неон.

     Это шестой по распространённости элемент во Вселенной — после водорода, гелия, кислорода, азота и углерода. Его существование предсказали дважды. Он был назван «в честь» греческого слова neos, что значит «новый». И еще — без этого газа наша жизнь вряд ли была бы такой яркой, как сегодня.

     В 1898 году в Старом Свете при исследовании с помощью спектроскопа первых порций газа, испаряющихся из жидкого воздуха, шотландский химик Уильям Рамзай (Рэмзи) совместно с Моррисом Уильямом Трейвером  обнаружили в них новый  газ Неон (Ne 6) — инертный газ, содержащийся в воздухе в микроскопических количествах. Это был уже третий инертный газ, открытый учёными, — после  аргона и гелия. 

Неон: история открытия

     «Не кажется ли вам, что есть место для газообразных элементов в конце первой колонны периодической системы, т.е. между галогенами и щелочными металлами?» Это слова из письма Рамзая Рэлею. Письмо было написано, когда из всех инертных газов науке были известны лишь гелий и аргон. Место гелия обозначилось в конце первого периода. Аргон заключил третий. А второй?

     В 1897 г. Рамзай выступил в Торонто с  докладом под названием «Неоткрытый  газ». В докладе он предсказал существование  простого газа с плотностью по водороду 10, атомным весом 20 и иными, промежуточными между Не и Ar константами. Двумя годами раньше, правда, не столь детально, существование  газообразного элемента с атомным  весом 20 предсказал французский химик  Лекок де Буабодран. Но где искать этот дважды предсказанный элемент?

     Вначале Рамзай и его сотрудники занялись минералами, природными водами, даже метеоритами. Результаты анализов неизменно оказывались  отрицательными. Между тем – теперь мы это знаем – новый газ  в них был. Но методами, существовавшими  в конце прошлого века, эти «микроследы» не улавливались.

     Исследователи обратились к воздуху. Воздух сжижали, а затем начинали медленно испарять, собирая и исследуя различные  фракции. Одним из методов поиска был спектральный анализ: газ помещали в разрядную трубку, подключали ток  и по линиям спектра определяли «кто есть кто».

     Когда в разрядную трубку поместили  первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха, то в спектре  наряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаружены новые  линии. Из них особенно яркими были красные и оранжевые. Они придавали  свету в трубке огненную окраску. 
 
 
 

Между аргоном и гелием — свойства неона 

     У атома неона замкнутая электронная  оболочка: на двух энергетических уровнях  находятся соответственно 2 и 8 электронов. Химическая инертность неона исключительна. В этом с ним может конкурировать  только гелий. Пока не получено ни одного его валентного соединения.

     Неон  – легкий газ: он легче воздуха  в 1,44 раза, аргона — почти в 2 раза, но тяжелее гелия в 5 раз. По комплексу  свойств он ближе к гелию, чем  к аргону, и вместе с гелием составляет подгруппу легких инертных газов.

     Неон  сжижается при температуре –245,98°C. Точка плавления неона отстоит  от точки кипения всего на 2,6°C–  рекордно малый диапазон, свидетельствующий  о слабости сил межмолекулярного взаимодействия в неоне. Благодаря  этому твердый неон получается без  особого труда: достаточно недолго  откачивать пары над жидким неоном, чтобы он отвердел.

     Растворимость в воде и способность к адсорбции  у неона малы. В 100 г воды при 20°C растворяется всего 1,75 см3, или 1,56 мг неона. Все же адсорбция неона на активированном угле при температуре жидкого  воздуха уже достаточна, чтобы  с ее помощью, многократно повторяя процесс, разделить смесь гелия  и неона. При температуре жидкого  водорода из смеси этих веществ выпадают кристаллы чистого неона, а газообразный гелий отгоняется. Технике это  дало второй – конденсационный способ разделения гелия и неона.

     Есть  у неона черта, резко выделяющая его среди других благородных  газов. Это – ярко-красный цвет излучения, причем интенсивность и  оттенки свечения неона сильно зависят  от напряжения тока, создающего электрический  разряд, и примесей других газов. 

Спектр  неона.

     Cпектр  неона богат: в нем выделено  более 900 линий. Наиболее  яркие линии составляют пучок в красной, оранжевой и желтой частях спектра. Эти лучи значительно меньше поглощаются и рассеиваются воздухом и взвешенными в нем частицами, чем лучи коротких волн – голубые, синие, фиолетовые. Оттого свет неоновых ламп виден лучше и дальше, чем свет иных источников, и словосочетание «неоновый свет реклам» стало избитым газетным штампом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.5.  Ксенон.  

     Этот  газ, названный «чужим», практически  перевернул с ног на голову представления  химиков об инертных газах. С самого начала он проявил «странные» свойства: в отличие от других инертных газов, ксенон первым вступил в химическую реакцию, первым же образовал устойчивое соединение. И заодно сделал неуместным сам термин «инертные газы». Благодаря  вновь открытому веществу ранее  созданная «нулевая» группа периодической  системы перестала существовать. 

В поисках «чужого».

     После того как были открыты гелий, неон, аргон и криптон, завершающие  четыре первых периода таблицы Менделеева, уже не вызывало сомнений, что пятый  и шестой периоды тоже должны оканчиваться инертным газом. Но найти их удалось  не сразу. Это и неудивительно: в 1 м3 воздуха 9,3 л аргона и всего  лишь 0,08 мл ксенона.

     Но  к тому времени стараниями ученых, прежде всего англичанина Траверса, появилась возможность получать значительные количества жидкого воздуха. Стал доступен даже жидкий водород. Благодаря  этому Рамзай совместно с Траверсом  смог заняться исследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха, получающейся после отгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и  аргона. Остаток содержал сырой (то есть неочищенный) криптон. Однако после  откачки его в сосуде неизменно  оставался пузырек газа. Этот газ  голубовато светился в электрическом  разряде и давал своеобразный спектр с линиями в областях от оранжевой до фиолетовой. В поисках  нового элемента и для изучения его  свойств Рамзай и Траверс переработали около ста тонн жидкого воздуха. Индивидуальность ксенона как нового химического элемента они установили, оперируя всего 0,2 см3 этого газа. Необычайная  для того времени тонкость эксперимента!