Общая характеристика элементов VIIIA группы

VIIIА группа включает инертные или благородные газы: гелий, неон, аргон и элементы подгруппы криптона – криптон, ксенон и радон.

На единственном электронном уровне атома гелия располагаются два электрона (1s²), т.е. гелий является s-элементом. Остальные представители группы являются p-элементами, у них на внешнем электронном уровне находятся восемь электронов (ns²np⁶), поэтому атомы благородных газов обладают повышенной устойчивостью.

С точки зрения электронного строения неон и более тяжёлые благородные газы следует поместить в VIIIА группе. Гелий как s-элемент формально можно было бы отнести ко IIА группе, однако он очень отличается по свойствам от элементов IIА группы, поэтому его также поместили в VIIIА группе вместе с подобными ему газами.

Все электроны в атомах гелия, неона и аргона очень прочно связаны с ядром, поэтому эти элементы не вступают в химические реакции. Энергия р-орбиталей криптона, ксенона и радона позволяет им быть донорами р-электронов при образовании химических связей с наиболее электроотрицательными элементами – фтором, кислородом. Поэтому прежнее название «инертные» сейчас уступает место названию «благородные» газы.

Благородные газы – бесцветные одноатомные газы без цвета и запаха.

Благородные газы обладают более высокой электропроводностью по сравнению с другими газами и при прохождении через них тока ярко светятся: гелий ярко-жёлтым светом, потому что в его сравнительно простом спектре двойная жёлтая линия преобладает над всеми другими; неон огненно-красным светом, так как самые яркие его линии лежат в красной части спектра.

Насыщенный характер атомных молекул благородных газов сказывается и в том, что они имеют более низкие точки сжижения и замерзания, чем другие газы с тем же молекулярным весом. Из подгруппы тяжелых инертных газов аргон – самый легкий. Он тяжелее воздуха в 1,38 раза. Жидкостью становится при –186 °C, затвердевает при –189 °C (в условиях нормального давления).

В отличие от гелия и неона, аргон довольно хорошо адсорбируется на поверхностях твердых тел и растворяется в воде (3,29 см³ в 100 г воды при 20 °C). Еще лучше растворяется аргон во многих органических жидкостях. Аргон практически нерастворим в металлах и не диффундирует сквозь них.

Таблица 9 – Некоторые физические свойства благородных газов

Криптон, ксенон и радон характеризуются меньшей энергией ионизации атомов, чем типические элементы VIIIА группы.

Элементы подгруппы криптона отличаются от других благородных газов большими размерами атомов и большей их поляризуемостью.

Увеличение поляризуемости молекул по мере роста размера атомов в ряду He–Ne–Ar–Kr–Xe характеризуется следующими соотношениями: 1:2:3:12:20 (поляризуемость молекул Xe в 20 раз выше, чем He).

Возрастание поляризуемости сказывается на усилении межмолекулярного взаимодействия, а последнее – на возрастании температур кипения и плавления простых веществ.

В ряду He–Ne–Ar–Kr–Xe–Rn усиливается также растворимость газов в воде и других растворителях, возрастает склонность к адсорбции и т. д. В твердом состоянии, подобно Ne и Ar, криптон, ксенон и радон имеют кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку.

Гелий

Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 г. П.Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии.

В феврале 1895 г. У. Рамзай получил письмо от лондонского метеоролога М. Маерса, где тот сообщал об опытах американского геолога М. Гиллебранда, который кипятил в серной кислоте редкие минералы урана и наблюдал выделение газа, по свойствам своим напоминающий азот. Чем больше урана содержится в минералах, тем больше выделялось газа. Гиллебранд условно предположил, что этот газ является азотом.

Вскоре Рамзай послал своих помощников в лондонские химические магазины за урановым минералом клевеитом. Было куплено 30 грамм клевеита, и в тот же день Рамзай со своим помощником Метьюзом извлек несколько кубических сантиметров газа. Рамзай подверг этот газ спектроскопическому исследованию. Он увидел яркую желтую линию, очень похожую на линию натрия, но в тоже время отличающуюся от нее по своему положению в спектре. Рамзай был настолько удивлен, что разобрал спектроскоп, почистил его, но при новом опыте снова обнаружил яркую желтую линию, не совпадавшую с линей натрия. Рамзай просмотрел спектры всех элементов. Наконец он вспомнил о загадочной линии в спектре солнечной короны. В 1868 г. во время солнечного затмения французский исследователь П. Жансен и англичанин Д. Н. Локьер обнаружили в спектре солнечных протуберанцев яркую желтую линию, которой не оказалось в земном спектре источников света. В 1871 г. Локьер высказал предположение, что эта линия принадлежит спектру неизвестного на Земле вещества. Он назвал этот гипотетический элемент гелием, то есть «солнечным». Но на земле он обнаружен не был. Физики и химики им не заинтересовались.

Гелий – одноатомный газ без цвета и запаха. По сравнению с другими элементами гелий обладает наибольшей энергией ионизации атома (24,59 эВ). Особая устойчивость электронной структуры атома отличает гелий от всех остальных химических элементов периодической системы.

Гелий по физическим свойствам наиболее близок к молекулярному водороду. Вследствие ничтожной поляризуемости атомов гелия у него самые низкие температуры кипения (–269 °С) и плавления (–272 °С при 2,5·10^–6 Па).

Гелий хуже других газов растворяется в воде и других растворителях. В 1 л воды, например, при 0 °С растворяется менее 10 мл He, т.е. в два с лишним раза меньше, чем H₂, и в 51000 раз меньше, чем HCl.

Жидкий гелий – оквантовая жидкость, т.е. жидкость, в макроскопическом объеме которой проявляются квантовые свойства составляющих ее атомов. При 2,17 °К и давлении паров 0,005 МПа жидкий Не претерпевает фазовый переход второго рода (от Не I к Не II), сопровождающийся резким изменением ряда свойств: теплоемкости, вязкости, плотности и др.

Гелий не образует валентных соединений.

Гелий является важным источником низких температур. При температуре жидкого гелия тепловое движение атомов и свободных электронов в твердых телах практически отсутствует, что позволяет изучать многие новые явления, например сверхпроводимость в твердом состоянии.

Газообразный гелий используют как легкий газ для наполнения воздушных шаров. Поскольку он негорюч, его добавляли к водороду для заполнения оболочки дирижабля.

Так как гелий хуже растворим в крови, чем азот, большие количества гелия применяют в дыхательных смесях для работ под давлением, например при морских погружениях, при создании подводных тоннелей и сооружений. При использовании гелия декомпрессия (выделение растворенного газа из крови) у водолаза протекает менее болезненно, менее вероятна кессонная болезнь, исключается такое явление, как азотный наркоз, – постоянный и опасный спутник работы водолаза. Смеси He–O₂ применяют, благодаря их низкой вязкости, для снятия приступов астмы и при различных заболеваниях дыхательных путей.

Гелий используют как инертную среду для дуговой сварки, особенно магния и его сплавов, при получении Si, Ge, Ti и Zr, для охлаждения ядерных реакторов.

Другие применения гелия – для газовой смазки подшипников, в счетчиках нейтронов (гелий-3), газовых термометрах, рентгеновской спектроскопии, для хранения пищи, в переключателях высокого напряжения. В смеси с другими благородными газами гелий используется в наружной неоновой рекламе (в газоразрядных трубках). Жидкий гелий выгоден для охлаждения магнитных сверхпроводников, ускорителей частиц и других устройств. Необычным применением гелия в качестве хладагента является процесс непрерывного смешения ³He и ⁴He для создания и поддержания температур ниже 0,005 K.

Неон

Этот элемент открыт Рамзаем и Траверсом в 1898 г., через несколько дней после открытия криптона. Ученые отобрали первые пузырьки газа, образующегося при испарении жидкого аргона, и установили, что спектр этого газа (ярко-красными линиями) указывает на присутствие нового элемента. Рамзай выбран название для этого элемента неон, в переводе с греческого – новый.

Неон – одноатомный газ без цвета и запаха, температура кипения 27,07 К (0,1 МПа); плотность в твердом состоянии 1,444 г/см³ (24,66 °К), в жидком 1,24 г/см³ (25,0 °К), в газообразном 0,90035 кг/м³ (273 °К, 0,1 МПа); критическая температура 44,4 °К, критическое давление 2,65 МПа. Растворимость неона в воде при 0,1 МПа (м³/кг): 0, 014∙10^-3 (273 °К), 0,010·10^-3 (298 °К).

Неон, как и гелий, обладает очень высокими ионизационным потенциалом (21,57 эВ), поэтому соединений валентного типа не образует.

Основное отличие его от гелия обуславливается относительно большей поляризуемостью атома, т. е. несколько большей склонностью образовывать межмолекулярную связь. Неон имеет очень низкие температуры кипения (–245,9 °С) и плавления (–248,6 °С), уступая лишь гелию и водороду. По сравнению с гелием у неона несколько большая растворимость и способность адсорбироваться.

Неон используется, как наполнители в неоновых лампах и лампах дневного свата.

Аргон

В 1785 г. английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенно химически устойчивый. На долю этого газа приходилась примерно одна сто двадцатая часть объема воздуха. Но что это за газ, Кавендишу выяснить не удалось. 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. Не найдя достоверного объяснения аномалии, Рэлей через журнал «Nature» обратился к коллегам-естествоиспытателям с предложением вместе подумать и поработать над разгадкой ее причин. Спустя два года Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно есть примесь неизвестного газа, более тяжелого, чем азот, и крайне инертного химически. Когда они 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, составляющую почти 1 %.

В 1894 г. аргон получил свое имя, которое в переводе с греческого значит «недеятельный». Его предложил председательствовавший на собрании доктор Медан. Между тем нет ничего удивительного в том, что аргон так долго ускользал от ученых. Ведь в природе он себя решительно ничем не проявлял. Напрашивается параллель с ядерной энергией: говоря о трудностях ее выявления, А. Эйнштейн заметил, что нелегко распознать богача, если он не тратит своих денег. Скепсис ученых был быстро развеян экспериментальной проверкой и установлением физических констант аргона. Но не обошлось без моральных издержек: расстроенный нападками коллег (главным образом химиков) Рэлей оставил изучение аргона и химию вообще и сосредоточил свои интересы на физических проблемах.

Рэлей – известный ученый, в физике достиг выдающихся результатов, за что в 1904 г. был удостоен Нобелевской премии. Тогда в Стокгольме он вновь встретился с Рамзаем, который в тот же день получал Нобелевскую премию за открытие и исследование благородных газов, в том числе и аргона. Первый благородный газ, аргон, был открыт в 1894 г.

Аргон – одноатомный газ без цвета и запаха; температура кипения 87,29 °К; плотность 0,001784 г/см³ (жидкого при 87 °К – 1,40 г/см³, твердого при 40 К – 1,40 г/см³); критическое давление – 0,4894 МПа.

Валентный слой атома аргона, как и неона, содержит восемь электронов. Вследствие большой устойчивости электронной структуры атома (энергия ионизации 15,76 эВ) соединения валентного типа для аргона не получены. Имея относительно большой размер атома (молекулы), аргон более склонен к образованию межмолекулярных связей, чем гелий и неон. Поэтому аргон в виде простого вещества характеризуется высокими температурами плавления (–184,3 °С) и кипения (–185,9 °С). Он лучше адсорбируется.

Аргон валентных соединений не образует, но для него получены соединения клатратного типа: Аr∙6H₂O.

На Земле аргона намного больше, чем всех прочих элементов его группы, вместе взятых. Его среднее содержание в земной коре (кларк) в 14 раз больше, чем гелия, и в 57 раз больше, чем неона. Есть аргон и в воде, до 0,3 см³ в литре морской и до 0,55 см³ в литре пресной воды. Любопытно, что в воздухе плавательного пузыря рыб аргона находят больше, чем в атмосферном воздухе. Это потому, что в воде аргон растворим лучше, чем азот. Главное «хранилище» земного аргона – атмосфера. Его в ней (по весу) 1,286 %, причем 99,6 % атмосферного аргона – это самый тяжелый изотоп – аргон-40. Еще больше доля этого изотопа в земной коре. Между тем у подавляющего большинства легких элементов картина противополодная – преобладают легкие изотопы. Причина этой аномалии обнаружена в 1943 г. В земной коре находится мощный источник аргона-40 – радиоактивный изотоп калия ⁴⁰К. Этого изотопа на первый взгляд в недрах немного – всего 0,0119 % от общего содержания калия. Однако абсолютное количество калия-40 велико, поскольку калий – один из самых распространенных на нашей планете элементов. В каждой тонне изверженных пород 3,1 г калия-40.

Период полураспада ⁴⁰К достаточно велик – 1,3 млрд лет. Поэтому процесс образования ⁴⁰Аr в недрах Земли будет продолжаться еще очень долго и хотя чрезвычайно медленно, но неуклонно будет возрастать содержание аргона в земной коре и атмосфере, куда аргон попадает в результате вулканических процессов, выветривания и перекристаллизации горных пород.

За время существования Земли запас радиоактивного калия основательно истощился – он стал в 10 раз меньше (если возраст Земли считать равным 4,5 млрд лет.). Соотношение изотопов ⁴⁰К и ⁴⁰Ar в горных породах легло в основу аргонного метода определения абсолютного возраста минералов. Очевидно, чем больше эти отношения, тем древнее порода. Аргонный метод считается наиболее надежным для определения возраста изверженных пород и большинства калийных минералов.

Практически весь аргон-40 произошел на Земле от калия-40. Поэтому тяжелый изотоп и доминирует в земном аргоне. Этим фактором объясняется одна из аномалий периодической системы. Вопреки первоначальному принципу ее построения – принципу атомных весов – аргон поставлен в таблице впереди калия. Если бы в аргоне, как и в соседних элементах, преобладали легкие изотопы (как это, по-видимому, имеет место в космосе), то атомный вес аргона был бы на две-три единицы меньше.

Част изотопов ³⁶Аr и ³⁸Аr, как считают, появилась в земной атмосфере из космоса при формировании нашей планеты и ее атмосферы. Но большая часть легких изотопов аргона родилась на Земле в результате ядерных процессов. Вероятно, еще не все такие процессы обнаружены. Скорее всего некоторые из них давно прекратились, так как исчерпались короткоживущие материнские атомы, но есть и поныне протекающие ядерные процессы, в результате которых появляются аргон-36 и аргон-38. Это β-распад хлора-36, обстрел α-частицами (в урановых минералах) серы-33 и хлора-35:

³⁶₁₇Cl ^β–→ ³⁶₁₈Ar + ⁰_–1e + ν,

³³₁₆S + ⁴₂He → ³⁶₁₈Ar + ¹₀ n,

³⁵₁₇Cl + ⁴₂He → ³⁸₁₈Ar + ¹₀ n + ⁰₊₁ e.

В материи Вселенной аргон представлен еще обильнее, чем на нашей планете. Особенно много его в веществе горячих звезд и планетарных туманностей. Подсчитано, что аргона в космосе больше, чем хлора, фосфора, кальция, калия – элементов, весьма распространенных на Земле. В космическом аргоне главенствуют изотопы ³⁶Аr и ³⁸Аr, аргона-40 во Вселенной очень мало. На это указывает масс-спектральный анализ аргона из метеоритов. В том же убеждают подсчеты распространенности калия. Оказывается, в космосе калия примерно в 50 тыс. раз меньше, чем аргона, в то время как на Земле их соотношение явно в пользу калия – 660:1.

При вдыхании смеси из 69 % Ar, 11 % азота и 20 % кислорода под давлением 4 атм возникают явления наркоза, которые выражены гораздо сильнее, чем при вдыхании воздуха под тем же давлением. Наркоз мгновенно исчезает после прекращения подачи аргона. Причина заключается в неполярности молекул аргона, причем повышенное давление усиливает растворимость аргона в нервных тканях.

Обнаружено, что аргон благоприятствует росту растений. Даже в атмосфере чистого аргона прорастают семена риса, кукурузы, огурцов и ржи. Лук, морковь и салат хорошо прорастают в атмосфере, содержащей 98 % аргона и только 2 % кислорода.

Поиск по сайту: