Инертные газы

Инертные газы (также благородные газы, редкие газы) — это группа химических элементов, объединённых в 18-ю группу периодической таблицы Д. И. Менделеева (по устаревшей классификации — VIII группа). Характеризуются чрезвычайно низкой химической активностью, обусловленной наличием на внешнем электронном уровне полностью заполненной электронной оболочки (октет, за исключением гелия, у которого дублет). В стандартных условиях все инертные газы являются одноатомными газами без цвета, запаха и вкуса. К группе относятся гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), радиоактивный радон (Rn) и синтезированный в 2006 году оганесон (Og).

История открытия

Первые сведения об инертных газах появились в конце XVIII века, когда Генри Кавендиш в 1785 году обнаружил, что в воздухе присутствует небольшая часть газа, не вступающая в реакции с кислородом. Однако систематическое изучение началось лишь в конце XIX века.

В 1894 году британские учёные Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) и Уильям Рамзай, исследуя плотность азота, выделенного из воздуха, и азота, полученного химическим разложением, обнаружили расхождение в значениях. Это привело к открытию аргона (от греч. ἀργός — «недеятельный»). За это открытие в 1904 году Рэлей и Рамзай были удостоены Нобелевских премий по физике и химии соответственно.

В 1895 году Рамзай выделил гелий из минерала клевеита, хотя спектрально гелий был обнаружен на Солнце ещё в 1868 году Пьером Жансеном и Норманом Локьером. В 1898 году Рамзай и Моррис Траверс, фракционируя жидкий воздух, открыли криптон, неон и ксенон. Радон был впервые идентифицирован в 1900 году Фридрихом Дорном как продукт распада радия. Последний элемент группы, оганесон (первоначально унуноктий), был синтезирован в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне (Россия) в 2002–2005 годах и официально признан в 2016 году.

Физические свойства

Инертные газы обладают рядом характерных физических свойств, которые закономерно изменяются при движении по группе сверху вниз.

Ключевой особенностью является чрезвычайно низкая температура кипения, особенно у гелия, который остаётся жидким вплоть до абсолютного нуля при атмосферном давлении. Гелий — единственное вещество, которое не переходит в твёрдое состояние при нормальном давлении даже при температурах, близких к 0 К.

Химические свойства

Инертность

Основная причина химической пассивности — высокая энергия ионизации и отсутствие свободных орбиталей на внешнем электронном уровне. Для гелия и неона образование химических связей энергетически невыгодно. Аргон, криптон, ксенон и радон могут вступать в реакции с наиболее сильными окислителями, такими как фтор и кислород.

Соединения

Первое химическое соединение инертного газа — гексафтороплатинат ксенона (Xe[PtF₆]) — было получено Нилом Бартлеттом в 1962 году. Впоследствии были синтезированы многочисленные соединения ксенона и криптона:

• Фториды: XeF₂, XeF₄, XeF₆, KrF₂.
• Оксиды: XeO₃, XeO₄.
• Оксофториды: XeOF₄, XeO₂F₂.
• Клатраты: соединения включения, в которых атом газа удерживается в полостях кристаллической решётки воды (гидраты) или других веществ (например, гидрохинона). Эти соединения не являются истинно химическими, так как не образуют ковалентных связей.

Радон, будучи радиоактивным, также образует соединения, но их изучение затруднено из-за короткого периода полураспада. Для аргона известно лишь одно стабильное соединение — фторогидрид аргона (HArF), полученное при сверхнизких температурах (около 10 К). Соединения гелия и неона в обычных условиях не получены.

Распространённость и получение

Содержание в природе

Инертные газы присутствуют в атмосфере Земли, земной коре и природном газе. Основным источником является воздух.

Гелий также содержится в природном газе (до 7–8% в некоторых месторождениях, например, в США, России, Алжире). Радон образуется в результате радиоактивного распада урана и тория и может накапливаться в подвалах зданий и горных выработках.

Промышленное получение

Основной метод получения неона, аргона, криптона и ксенона — низкотемпературная ректификация жидкого воздуха. Воздух сжимают, охлаждают до жидкого состояния, а затем разделяют на фракции в ректификационных колоннах. Гелий извлекают из природного газа методом низкотемпературной конденсации или адсорбции.

Применение

Гелий

• Криогеника: используется как хладагент в сверхпроводящих магнитах (МРТ, ускорители частиц), для охлаждения инфракрасных детекторов.
• Аэростатика: наполнение дирижаблей и аэростатов (негорюч, в отличие от водорода).
• Дыхательные смеси: в глубоководных погружениях (тримикс, гелиокс) для предотвращения азотного наркоза и кессонной болезни.
• Сварка: защитная среда для дуговой сварки активных металлов (алюминий, магний, титан).

Неон

• Освещение и реклама: неоновые лампы (красное свечение при электрическом разряде). Для получения других цветов используются смеси газов и люминофоры.
• Криогеника: жидкий неон используется как хладагент (температура кипения 27 К).
• Лазеры: гелий-неоновые лазеры (красное излучение 632,8 нм).

Аргон

• Сварка и металлургия: защитная среда при дуговой сварке (аргонодуговая сварка), плавке титана, алюминия, нержавеющих сталей.
• Электротехника: наполнение ламп накаливания и люминесцентных ламп для замедления испарения вольфрамовой нити.
• Аналитическая химия: используется в атомно-эмиссионной и масс-спектрометрии как плазмообразующий газ.

Криптон и ксенон

• Освещение: ксеноновые дуговые лампы (имитация солнечного света, автомобильные фары, кинопроекторы), криптоновые лампы накаливания.
• Медицина: ксенон используется как ингаляционный анестетик (не вызывает побочных эффектов, характерных для других анестетиков), а также для нейропротекции.
• Двигателестроение: ксенон применяется в ионных двигателях космических аппаратов (высокая атомная масса, низкая энергия ионизации).
• Ядерная физика: криптон-85 и ксенон-133 используются как радиоактивные индикаторы.

Радон

• Медицина: радоновые ванны (радонотерапия) — метод физиотерапии, основанный на слабом радиоактивном облучении. Эффективность метода остаётся предметом дискуссий.
• Геология: измерение концентрации радона в почве и воде используется для прогнозирования землетрясений и поиска месторождений урана.

Биологическая роль и безопасность

Инертные газы химически инертны, но могут оказывать физиологическое воздействие при высоких парциальных давлениях. При вдыхании под давлением (например, при глубоководных погружениях) они могут вызывать наркотический эффект (азотный наркоз), причём тяжесть наркоза возрастает с увеличением атомной массы газа (гелий практически не вызывает наркоза, ксенон является мощным анестетиком). Радон радиоактивен и при вдыхании может вызывать рак лёгких. Гелий, вытесняя кислород, может привести к удушью без предварительных симптомов.

Интересные факты

• Гелий — единственный элемент, который был открыт сначала на Солнце, а затем на Земле.
• Жидкий гелий обладает свойством сверхтекучести (открыто П. Л. Капицей в 1938 году) — при температурах ниже 2,17 К он течёт без трения.
• Неоновые вывески часто содержат не неон, а аргон с люминофором для получения синего или зелёного цвета.
• Ксенон — самый тяжёлый стабильный инертный газ, его плотность в 4,5 раза больше плотности воздуха.
• Оганесон — самый тяжёлый элемент, когда-либо синтезированный в лаборатории; его период полураспада составляет менее 1 миллисекунды.

Источники

1. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — Т. 1.
2. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969. — Ч. 2.
3. Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая российская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
4. Рамзай У. Благородные газы. — М.: Госхимиздат, 1956.
5. Бартлетт Н. The Chemistry of the Noble Gases. — Elsevier, 1973.
6. Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.