Благородные газы

Благородные газы — это группа химических элементов, составляющих 18-ю (по устаревшей классификации — VIII-A) группу периодической таблицы Менделеева. К ним относятся гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn). В нормальных условиях все благородные газы представляют собой одноатомные газы без цвета, вкуса и запаха. Своё название они получили из-за крайне низкой химической активности, обусловленной завершённой внешней электронной оболочкой (октетом электронов, за исключением гелия, у которого заполнен первый уровень — дублет). Долгое время их считали абсолютно инертными, однако в XX веке были получены соединения некоторых из них, особенно ксенона и криптона.

История открытия

История открытия благородных газов началась в конце XVIII века, но их систематическое изучение пришлось на конец XIX — начало XX века.

Открытие аргона

Первым из благородных газов был обнаружен аргон. В 1785 году английский химик Генри Кавендиш провёл эксперимент, пропуская электрические разряды через воздух в присутствии щёлочи. Он заметил, что после связывания кислорода и азота остаётся небольшой пузырёк газа, объёмом около 1/120 от исходного. Кавендиш не смог идентифицировать этот остаток, и открытие было забыто на столетие. В 1894 году лорд Джон Уильям Стретт (Рэлей) и сэр Уильям Рамзай независимо друг от друга обнаружили, что плотность азота, полученного из воздуха, немного выше, чем плотность азота, полученного из химических соединений (например, из аммиака). Это расхождение (около 0,5%) указывало на присутствие в воздухе более тяжёлой примеси. Рамзай и Рэлей выделили этот газ и, изучив его спектр, объявили об открытии нового элемента — аргона (от греч. argos — «ленивый», «неактивный»).

Открытие гелия

Гелий был открыт раньше аргона, но не на Земле, а на Солнце. В 1868 году французский астроном Пьер Жансен и англичанин Джозеф Норман Локьер независимо друг от друга наблюдали спектр солнечной хромосферы во время полного солнечного затмения. В спектре была обнаружена яркая жёлтая линия (D3), которая не соответствовала ни одному из известных на Земле элементов. Локьер и химик Эдвард Франкленд назвали новый элемент «гелием» (от греч. helios — «солнце»). Долгое время гелий считался гипотетическим элементом, существующим только на Солнце. Лишь в 1895 году Уильям Рамзай выделил гелий из уранового минерала клевеита, обработав его кислотой. Почти одновременно гелий был обнаружен в атмосфере Земли.

Открытие неона, криптона и ксенона

После открытия аргона и гелия стало ясно, что существует целая группа новых элементов. В 1898 году Уильям Рамзай и его ассистент Моррис Траверс, работая в Университетском колледже Лондона, провели серию экспериментов по фракционной перегонке жидкого воздуха. После удаления кислорода, азота и аргона они последовательно выделили криптон (от греч. kryptos — «скрытый»), неон (от греч. neos — «новый») и ксенон (от греч. xenos — «чужой», «незнакомец»). Все три газа были идентифицированы по их характерным спектральным линиям.

Открытие радона

Радон был открыт последним. В 1900 году немецкий физик Фридрих Эрнст Дорн обнаружил, что торий (а точнее, его соединения) выделяет радиоактивный газ, который он назвал «эманацией тория». Позже, в 1900-х годах, были открыты эманации радия и актиния. В 1908 году Уильям Рамзай и Роберт Уитлоу-Грей выделили этот газ в чистом виде, измерили его плотность и установили, что он является новым элементом. Окончательно за элементом закрепилось название «радон» (от лат. radius — «луч», по названию радия, из которого он получается в наибольших количествах). Радон — самый тяжёлый и единственный радиоактивный благородный газ.

Физические свойства

Благородные газы — это одноатомные молекулы. Их физические свойства закономерно изменяются с ростом атомного номера.

Все благородные газы, за исключением гелия, имеют завершённую электронную оболочку из 8 электронов (октет). У гелия — завершённый первый энергетический уровень (2 электрона). Именно это объясняет их химическую инертность: для образования химических связей требуется затратить значительную энергию на разрыв этой стабильной конфигурации. С ростом атомного номера (и размера атома) внешние электроны удерживаются слабее, что делает возможным образование соединений у криптона, ксенона и радона.

Химические свойства

Долгое время благородные газы считались абсолютно инертными. Первое химическое соединение благородного газа было получено в 1962 году канадским химиком Нилом Бартлеттом. Он заметил, что очень сильный окислитель — гексафторид платины (PtF₆) — способен окислять молекулярный кислород (O₂). Поскольку энергия ионизации ксенона (12,13 эВ) оказалась близка к энергии ионизации кислорода (12,07 эВ), Бартлетт предположил, что ксенон также может вступать в реакцию. Он смешал ксенон с парами PtF₆ и получил оранжево-жёлтое твёрдое вещество, которое, как было установлено, содержало ксенон. Это соединение получило формулу Xe[PtF₆] (гексафтороплатинат ксенона).

После этого открытия химия благородных газов стала активно развиваться. Были получены соединения ксенона и криптона:

• Ксенон: образует наиболее разнообразные соединения. Известны фториды (XeF₂, XeF₄, XeF₆), оксиды (XeO₃, XeO₄), оксофториды (XeOF₄, XeO₂F₂) и комплексы. XeF₂ используется в органическом синтезе как мягкий фторирующий агент. XeO₃ — сильное взрывчатое вещество.
• Криптон: образует менее стабильные соединения, чем ксенон. Наиболее известен дифторид криптона (KrF₂), который является сильным окислителем и используется для получения других экзотических соединений.
• Радон: химически ещё более активен, чем ксенон, но его изучение затруднено из-за высокой радиоактивности и короткого периода полураспада. Известны фториды радона (RnF₂, RnF₄).
• Аргон, неон, гелий: их соединения крайне нестабильны и существуют только при очень низких температурах или в условиях высоких давлений. Известны, например, гидриды ArH⁺, NeH⁺, HeH⁺, а также комплексы с фуллеренами. В 2000 году было объявлено об открытии первого соединения аргона — фторогидрид аргона (HArF), стабильного при температуре ниже -246 °C.

Распространённость в природе

Благородные газы присутствуют в земной атмосфере в следующих объёмных долях:

• Аргон: 0,934% (самый распространённый благородный газ в атмосфере).
• Неон: 1,82×10⁻³ % (18,2 ppm).
• Гелий: 5,24×10⁻⁴ % (5,24 ppm).
• Криптон: 1,14×10⁻⁴ % (1,14 ppm).
• Ксенон: 8,7×10⁻⁶ % (0,087 ppm).
• Радон: присутствует в следовых количествах, образуется в результате радиоактивного распада урана и тория в земной коре.

Основным источником аргона, неона, криптона и ксенона является процесс фракционной перегонки жидкого воздуха. Гелий добывается в основном из природного газа, который содержит его в концентрациях от 0,1% до 8% (особенно богаты гелием месторождения в США, Катаре, Алжире и России). Радон в промышленных масштабах не добывается.

Применение

Благодаря своим уникальным свойствам, благородные газы нашли широкое применение в различных отраслях науки и техники.

Светотехника и лазеры

• Неон: используется в неоновых лампах и рекламных вывесках. При прохождении электрического разряда неон даёт яркое красно-оранжевое свечение.
• Аргон, криптон, ксенон: используются в газоразрядных лампах (например, в лампах дневного света, автомобильных фарах). Ксеноновые лампы дают свет, близкий по спектру к дневному, и используются в кинопроекторах, прожекторах и автомобильных фарах (ксеноновый свет).
• Гелий-неоновые лазеры: широко применяются в научных исследованиях, метрологии, а также в считывателях штрих-кодов и лазерных указках.
• Эксимерные лазеры: используют смеси благородных газов (например, ArF, KrF, XeCl) для генерации ультрафиолетового излучения, применяемого в микроэлектронике (литография) и офтальмологии (коррекция зрения).

Сварочное производство и металлургия

• Аргон: самый распространённый защитный газ при дуговой сварке (MIG/MAG, TIG) алюминия, нержавеющей стали, титана и других активных металлов. Он создаёт инертную атмосферу, предотвращая окисление расплавленного металла.
• Гелий: используется в качестве защитного газа при сварке, особенно для толстых листов и материалов с высокой теплопроводностью (например, меди), так как гелий обеспечивает более высокую температуру дуги.

Криогеника

• Гелий: является единственным веществом, которое остаётся жидким при температурах, близких к абсолютному нулю (4,2 K при атмосферном давлении). Жидкий гелий используется как хладагент в сверхпроводящих магнитах (МРТ, ускорители частиц, ЯМР-спектрометры), а также для охлаждения инфракрасных детекторов и других научных приборов.

Медицина и дыхательные смеси

• Гелий: смесь гелия с кислородом (гелиокс) используется для лечения дыхательной недостаточности, так как гелий имеет низкую плотность и облегчает прохождение воздуха через суженные дыхательные пути. Также применяется для глубоководных погружений (для предотвращения азотного наркоза и кессонной болезни).
• Ксенон: обладает анестезирующими свойствами. Ксеноновая анестезия считается одной из самых безопасных, так как ксенон не метаболизируется в организме и быстро выводится. Однако высокая стоимость ксенона ограничивает его широкое применение.
• Радон: в малых дозах используется в радоновых ваннах для лечения некоторых заболеваний опорно-двигательного аппарата и кожи. Однако из-за радиоактивности и канцерогенности его применение строго регламентировано.

Другие области

• Наполнение ламп накаливания: аргон, криптон и ксенон используются для заполнения колб ламп накаливания, замедляя испарение вольфрамовой нити и увеличивая срок службы лампы.
• Детекторы частиц: благородные газы (особенно ксенон и аргон) используются в ионизационных камерах, пропорциональных счётчиках и камерах Вильсона для регистрации ионизирующего излучения.
• Электроника: в производстве полупроводников используется как плазмообразующий газ (аргон, ксенон) для травления и напыления тонких плёнок.

Биологическая роль и безопасность

Благородные газы не имеют известной биологической роли. Они не токсичны, но при высоких концентрациях могут вызывать удушье из-за вытеснения кислорода (асфиксия). Особенно это опасно для гелия, который быстро диффундирует и может накапливаться в замкнутых пространствах. Вдыхание гелия из баллончика может привести к разрыву лёгочной ткани из-за резкого перепада давления. Радон, напротив, является радиоактивным и канцерогенным. Его накопление в подвалах зданий (особенно в регионах с высоким содержанием урана в почве) признаётся второй по значимости причиной рака лёгких после курения.

Источники

• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. В 2 томах. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. В 3 частях. — М.: Мир, 1969.
• Некрасов Б.В. Основы общей химии. В 2 томах. — М.: Химия, 1973.
• Рамзай У. Благородные газы. — М.: ОНТИ, 1937.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Гл. ред. И.Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• Bartlett N. Xenon hexafluoroplatinate (V) Xe⁺[PtF₆]⁻. Proceedings of the Chemical Society, 1962, p. 218.