Инертный газ

Инертный газ — это химический элемент, относящийся к группе 18 (VIII A) периодической таблицы, характеризующийся крайне низкой химической активностью. В нормальных условиях инертные газы представляют собой одноатомные газы без цвета, вкуса и запаха. Их основное свойство — заполненная внешняя электронная оболочка, что делает их химически стабильными и не склонными к образованию связей с другими элементами. К инертным газам относятся гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn). Иногда к этой группе условно причисляют и оганесон (Og), однако его химические свойства изучены недостаточно из-за крайне малого времени жизни.

История открытия

Первым из инертных газов был открыт аргон. В 1894 году британские учёные Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) и Уильям Рамзай обнаружили, что азот, полученный из воздуха, имеет большую плотность, чем азот, полученный из химических соединений. Это противоречие привело к выделению из воздуха нового газа, который не вступал в реакции ни с одним из известных реагентов. Аргон был назван от греческого «argos» — «недеятельный».

В 1895 году Уильям Рамзай выделил гелий из минерала клевеита, хотя спектральные линии гелия были обнаружены на Солнце ещё в 1868 году французским астрономом Пьером Жансеном. В 1898 году Рамзай и его коллега Моррис Траверс, последовательно испаряя жидкий аргон, открыли неон, криптон и ксенон. Последним из стабильных инертных газов в 1900 году был открыт радон — продукт распада радия, выделенный немецким химиком Фридрихом Эрнстом Дорном.

Физические свойства

Инертные газы обладают рядом характерных физических свойств. Все они являются одноатомными газами при стандартных условиях. Температуры кипения и плавления у них очень низкие и возрастают с увеличением атомной массы. Гелий имеет самую низкую температуру кипения (−268,93 °C) и является единственным веществом, которое не переходит в твёрдое состояние при нормальном давлении даже при абсолютном нуле (для затвердевания гелия требуется давление около 25 атмосфер). Плотность газов также растёт от гелия к радону: гелий почти в 7 раз легче воздуха, а радон — самый тяжёлый из всех известных газов (плотность около 9,7 кг/м³).

Таблица физических свойств инертных газов

Химические свойства

Долгое время инертные газы считались абсолютно неспособными к образованию химических соединений. Однако в 1962 году канадский химик Нил Бартлетт синтезировал первое соединение — гексафтороплатинат ксенона (Xe[PtF₆]). Это открытие опровергло миф об абсолютной инертности. Впоследствии были получены соединения ксенона и криптона с фтором и кислородом (например, XeF₂, XeF₄, XeO₃, KrF₂). Радон также образует фториды, но они менее стабильны. Аргон, неон и гелий до настоящего времени не образуют устойчивых химических соединений в обычных условиях, хотя существуют теоретические работы и экспериментальные данные о получении нестабильных комплексов (например, аргонфторида ArF₂ при сверхнизких температурах).

Распространённость и получение

Инертные газы содержатся в атмосфере Земли. Самый распространённый из них — аргон, на долю которого приходится около 0,93% объёма сухого воздуха. Содержание других газов значительно ниже: неон — 0,0018%, гелий — 0,0005%, криптон — 0,0001%, ксенон — 0,000009%. Радон образуется в результате радиоактивного распада урана и тория и присутствует в почве и грунтовых водах в следовых количествах.

Основным промышленным способом получения инертных газов является фракционная перегонка жидкого воздуха. Воздух сжижается, а затем его компоненты разделяются по температурам кипения в ректификационных колоннах. Гелий также добывают из природного газа, в котором его содержание может достигать 7% (например, в месторождениях США, Катара, Алжира). Радон получают из растворов солей радия.

Применение

Сварочные работы и металлургия

Аргон и гелий широко используются в качестве защитной атмосферы при дуговой сварке цветных металлов (алюминия, титана, магния) и нержавеющих сталей. Инертный газ вытесняет кислород и азот из зоны сварки, предотвращая окисление и образование пор в шве. В металлургии аргон применяют для дегазации жидкой стали и алюминия.

Осветительная техника

Неон используется в газоразрядных лампах и неоновых вывесках. При пропускании электрического тока через неон возникает характерное красно-оранжевое свечение. Аргон и криптон применяют в лампах накаливания и люминесцентных лампах для увеличения срока службы вольфрамовой нити и повышения светоотдачи. Ксенон используют в мощных газоразрядных лампах (ксеноновые фары автомобилей, кинопроекторы), а также в импульсных лампах-вспышках.

Криогенная техника

Гелий — единственный газ, который остаётся жидким при температурах, близких к абсолютному нулю. Жидкий гелий применяется в качестве хладагента в сверхпроводящих магнитах (томографы, ускорители частиц), в криогенных насосах и в научных исследованиях.

Медицина

Ксенон используется в качестве ингаляционного анестетика (ксеноновый наркоз) благодаря высокой инертности и отсутствию токсичности. Гелий применяют в дыхательных смесях для лечения астмы и других заболеваний дыхательных путей, так как он обладает низкой плотностью и облегчает дыхание. Радон, несмотря на радиоактивность, исторически использовался в радоновых ваннах для лечения некоторых заболеваний опорно-двигательного аппарата (в настоящее время применение ограничено из-за радиационной опасности).

Научные исследования

Инертные газы используются в качестве наполнителей газовых детекторов (например, пропорциональных счётчиков) и в вакуумной технике для создания контролируемой атмосферы. Гелий применяют как газ-носитель в газовой хроматографии. Криптон и ксенон используются в лазерах (криптоновые и ксеноновые лазеры).

Пищевая промышленность

Аргон и гелий применяются в качестве упаковочного газа для увеличения срока хранения продуктов. Они вытесняют кислород, замедляя окисление жиров и развитие микроорганизмов. В России и других странах аргон зарегистрирован как пищевая добавка E938.

Безопасность и биологическое действие

Инертные газы нетоксичны, однако могут представлять опасность при вдыхании в высоких концентрациях, так как вытесняют кислород из воздуха. Особенно опасен гелий: при вдыхании чистого гелия быстро наступает гипоксия (кислородное голодание), что может привести к потере сознания и смерти. Радон является радиоактивным газом и при вдыхании повышает риск развития рака лёгких. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) классифицирует радон как канцероген первой группы. Ксенон и криптон в высоких концентрациях обладают анестезирующим действием.

Интересные факты

• Гелий — второй по распространённости элемент во Вселенной после водорода, но на Земле он встречается редко, так как легко улетучивается в космос.
• Неоновые лампы, вопреки распространённому мнению, могут светиться разными цветами: для получения зелёного, синего или жёлтого свечения в лампу добавляют пары ртути или аргон с люминофором.
• Ксенон в 100 раз тяжелее гелия и в 4 раза тяжелее воздуха.
• Аргон — самый дешёвый и доступный из инертных газов, его мировое производство составляет миллионы тонн в год.
• Радон — единственный радиоактивный газ среди инертных газов, его период полураспада составляет 3,8 дня.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988—1998.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
• Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Бартлетт Н. The Chemistry of the Noble Gases // Science. — 1963. — Vol. 139, № 3559. — P. 1057—1063.