Система инертных газов

Система инертных газов — это совокупность химических элементов, входящих в 18-ю группу периодической таблицы (по устаревшей классификации — VIII группа, главная подгруппа), которые характеризуются крайне низкой химической активностью. Включает гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn). Иногда к этой группе относят и оганесон (Og), однако его свойства изучены недостаточно из-за короткого периода полураспада.

История открытия

История открытия инертных газов началась с наблюдения за атмосферным воздухом. В 1785 году английский химик Генри Кавендиш обнаружил, что в воздухе после удаления кислорода и азота остаётся небольшой остаток газа, который не вступает в реакции. Однако систематическое изучение началось лишь в конце XIX века.

В 1894 году британские учёные лорд Рэлей и Уильям Рамзай объявили об открытии аргона — первого из инертных газов, выделенного из атмосферы. Они обнаружили, что плотность азота, полученного из воздуха, отличается от плотности химически синтезированного азота, что указывало на присутствие постороннего газа. За это открытие Рэлей и Рамзай в 1904 году получили Нобелевские премии по физике и химии соответственно.

В 1895 году Рамзай выделил гелий из урановой руды клевеита, хотя спектральные линии гелия были замечены на Солнце ещё в 1868 году французским астрономом Пьером Жансеном. В 1898 году Рамзай и его коллега Моррис Траверс открыли неон, криптон и ксенон путём фракционной перегонки жидкого воздуха. Радон был открыт в 1900 году немецким химиком Фридрихом Дорном как продукт распада радия.

Физические и химические свойства

Общая характеристика

Инертные газы — одноатомные газы без цвета, вкуса и запаха. Они имеют низкие температуры кипения и плавления, что объясняется слабыми межмолекулярными силами (силы Ван-дер-Ваальса). С увеличением атомной массы в группе сверху вниз температуры кипения и плавления возрастают, а также увеличивается плотность и растворимость в воде.

Химическая инертность

Основной причиной инертности является полное заполнение внешней электронной оболочки (октет, за исключением гелия с дублетом). Электронная конфигурация делает эти элементы чрезвычайно стабильными: они не стремятся отдавать или принимать электроны. Долгое время считалось, что инертные газы не способны образовывать химические соединения.

Однако в 1962 году канадский химик Нил Бартлетт синтезировал первое соединение ксенона — гексафтороплатинат ксенона (XePtF₆). Впоследствии были получены фториды, оксиды и другие соединения ксенона и криптона. Радон также образует несколько соединений, но они крайне нестабильны. Гелий, неон и аргон до сих пор не образуют стабильных химических соединений при нормальных условиях, хотя существуют их слабосвязанные клатраты и комплексы в экстремальных условиях (например, при высоком давлении).

Основные физические константы

Распространённость в природе

Инертные газы присутствуют в атмосфере Земли, но в разных концентрациях. Аргон составляет около 0,93 % объёма сухого воздуха, что делает его самым распространённым инертным газом в атмосфере. Содержание других газов значительно ниже: неон — 0,0018 %, гелий — 0,000524 %, криптон — 0,000114 %, ксенон — 0,0000087 %. Радон встречается в следовых количествах как продукт распада урана и тория в земной коре.

Гелий также содержится в природном газе, особенно в месторождениях США, России и Алжира. Криптон и ксенон получают как побочные продукты при разделении воздуха на кислород и азот.

Получение

Основной промышленный метод получения инертных газов — фракционная перегонка жидкого воздуха. Воздух сжижают при низких температурах, затем разделяют на компоненты в ректификационных колоннах. Аргон выделяют как промежуточную фракцию между кислородом и азотом. Неон, криптон и ксенон концентрируются в определённых фракциях и затем очищаются дополнительно.

Гелий получают из природного газа путём низкотемпературной конденсации и адсорбции. Радон выделяют из растворов солей радия.

Применение

Гелий

Гелий используется в криогенной технике как хладагент для достижения сверхнизких температур (до 4,2 К). Применяется в дирижаблях и аэростатах благодаря низкой плотности и негорючести. В медицине используется в дыхательных смесях (гелиокс) для лечения астмы и при глубоководных погружениях для предотвращения азотного наркоза. В сварке служит защитным газом для предотвращения окисления металлов.

Неон

Неон широко применяется в газоразрядных лампах (неоновых вывесках) благодаря яркому красно-оранжевому свечению при электрическом разряде. Используется в лазерах, а также как хладагент в криогенных установках (температура кипения 27 К).

Аргон

Аргон — самый распространённый защитный газ в сварочном производстве (аргонодуговая сварка). Применяется для создания инертной атмосферы при хранении и транспортировке химически активных веществ, в производстве титана и других металлов. Используется в лампах накаливания для замедления испарения вольфрамовой нити.

Криптон и ксенон

Криптон применяется в лампах накаливания (криптоновые лампы) для повышения светоотдачи, а также в лазерах и фотоэлементах. Ксенон используется в мощных газоразрядных лампах (ксеноновые фары автомобилей), в анестезиологии как ингаляционный анестетик, а также в ядерной физике как детектор излучения. Ксенон также применяется в ионных двигателях космических аппаратов.

Радон

Радон используется в медицине для радиотерапии (радоновые ванны), однако его применение ограничено из-за высокой радиоактивности. В геологии используется для прогнозирования землетрясений.

Биологическая роль и безопасность

Инертные газы не являются биогенными элементами и не участвуют в метаболизме. Однако некоторые из них обладают физиологическим действием. Гелий и неон инертны для организма. Аргон при высоких концентрациях может вызывать удушье из-за вытеснения кислорода. Криптон и ксенон обладают наркотическим эффектом (ксенон используется как анестетик). Радон радиоактивен и при вдыхании повышает риск рака лёгких.

При работе с инертными газами необходимо соблюдать меры предосторожности: обеспечить вентиляцию помещений, избегать вдыхания радона, использовать криогенные перчатки при работе с жидкими газами.

Интересные факты

• Аргон был первым открытым инертным газом, а его название происходит от греческого «argos» — «ленивый», «бездеятельный».
• Гелий — второй по распространённости элемент во Вселенной после водорода, но на Земле его мало.
• Ксенон — самый тяжёлый стабильный инертный газ, его плотность почти в 4,5 раза больше плотности воздуха.
• Радон — самый тяжёлый газ из всех известных, его плотность в 7,5 раз больше плотности воздуха.
• В 2020 году российские учёные из Объединённого института ядерных исследований в Дубне синтезировали оганесон — самый тяжёлый элемент 18-й группы, названный в честь академика Юрия Оганесяна.

Источники

• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: Бином, 2008.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
• Бартлетт Н. Соединения благородных газов // Успехи химии. — 1963. — Т. 32, № 5.
• Физические величины: справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.