Реферат: Инертные газы: история открытия, свойства, применение

Министерство общего и профессионального образования

Вятский Государственный Технический Университет

Химический факультетКафедра биотехнологии

Реферат

На тему: ” Инертные газы: история открытия,свойства, применение ”

Разработал студент БТ-21

хххххххххххххх

Проверила

Киров 2000 г.

1. История открытия инертных газов.

К благородным газам относятся гелий, неон, аргон,криптон, ксенон и радон. По своим свойствам они не похожи ни на какие другиеэлементы и в периодической системе располагаются между типичными металлами инеметаллами.

История открытия инертных газов представляетбольшой интерес: во-первых, как триумф введённых Ломоносовым количественныхметодов химии(открытие аргона), а во-вторых, как триумф теоретическогопредвидения (открытие остальных инертных газов), опирающегося на величайшее обобщениехимии – периодический закон Менделеева.

Открытие физиком Рэлеем ихимиком Рамзаем первого благородного газа – аргона – произошло в то время,когда построение периодической системы казалось завершённым и в ней оставалосьлишь несколько пустых клеток.

Ещё 1785 году английскийхимик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенноустойчивый химически. На долю этого газа приходилась примерно одна стодвадцатая часть объема воздуха. Но что это за газ, Кавендишу выяснить неудалось.

Об этом опыте вспомнили 107лет спустя, когда Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей) натолкнулся на ту же примесь,заметив, что азот воздуха тяжелее, чем азот, выделенный из соединений. Не найдядостоверного объяснения аномалии, Рэлей через журнал «Nature» обратился кколлегам-естествоиспытателям с предложением вместе подумать и поработать над разгадкойее причин...

Спустя два года Рэлей и У.Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно есть примесь неизвестногогаза, более тяжелого, чем азот, и крайне инертного химически. “Воздух припомощи раскалённой меди был лишён своего кислорода и затем нагрет с кусочкамимагния в трубочке. После того как значительное количество азота было поглощеномагнием, была определена плотность остатка. Плотность оказалась в 15 раз большеплотности водорода, тогда как плотность азота только в 14 раз больше её. Этаплотность возрастала ещё по мере дальнейшего поглощения азота, пока не достигла18. Этим было доказано, что воздух содержит газ, плотность которого большеплотности азота… Я получил 100 см3 этого вещества и нашёл егоплотность равной 19,9. Оно оказалось одноатомным газом.” Когда они выступили спубличным сообщением о своем открытии, это произвело ошеломляющее впечатление.Многим казалось невероятным, чтобы несколько поколений ученых, выполнившихтысячи анализов воздуха, проглядели его составную часть, да еще такую заметную- почти процент! Кстати, именно в этот день и час, 13 августа 1894 года, аргони получил свое имя, которое в переводе с греческого значит «недеятельный».

Гелий впервыебыл идентифицирован как химический элемент в 1868 П.Жансеном при изучении солнечногозатмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаруженаярко-желтая линия, первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1871Дж.Локьер и П.Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному изизвестных на земле элементов. Локьер и Э.Франкленд назвали новый элемент гелиемот греч. «гелиос», что означает солнце. В то время не знали, что гелий –инертный газ, и предполагали, что это металл. И только спустя почти четвертьвека гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев послеоткрытия аргона, У.Рамзай и почти одновременно шведские химики П.Клеве иН.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Годспустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаруженв составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд иТ.Ройдс установили, что a-частицы, испускаемые радиоактивнымиэлементами, представляют собой ядра гелия.

Послеэтого открытия Рамзай пришёл к выводу, что существует целая группа химическихэлементов, которая располагается в периодической системе между щелочнымиметаллами и галогенами.Пользуясь периодическим законом и методом Менделеева, было определеноколичество неизвестных благородных газов и их свойства, в частности их атомныемассы. Это позволило осуществить и целенаправленные поиски благородных газов.

Вначале Рамзай и его сотрудники занялисьминералами, природными водами, даже метеоритами. Результаты анализов неизменнооказывались отрицательными. Между тем—теперь мы это знаем—новый газ в них был.Но методами, существовавшими в конце прошлого века, эти «микроследы» неулавливались. Затем исследователи обратились к воздуху.

Всего за четырепоследующих года было открыто четыре новых элемента, при этом неон,криптон и ксенон были выделены из воздуха.

Воздух, очищенныйпредварительно от углекислоты и влаги, сжижали, а затем начинали медленноиспарять. Сначала «летят» более легкие газы. После испарения основной массывоздуха рассортировывают оставшиеся тяжелые инертные газы. Затем, полученныефракции исследовали. Одним из методов поиска был спектральный анализ: газпомещали в разрядную трубку, подключали ток и по линиям спектра определяли «ктоесть кто».

Когда в разрядную трубкупоместили первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха, то в спектренаряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаружены новые линии,из них особенно яркими были красные и оранжевые. Они придавали свету в трубкеогненную окраску. В момент, когда Рамзай наблюдал спектр только что полученногогаза, в лабораторию вошел его двенадцатилетний сын, успевший стать«болельщиком» отцовых работ. Увидев необычное свечение, он воскликнул: «newone!» Так возникло название газа «неон», по-древнегречески значит «новый».

После того как были открытыгелий, неон и аргон, завершающие три первых периода таблицы Менделеева, уже невызывало сомнений, что четвёртый, пятый и шестой периоды тоже должныоканчиваться инертным газом. Но найти их удалось не сразу. Это и неудивительно:в 1 м3 воздуха 9, 3 л аргона и всего лишь 0, 08 мл ксенона. Но ктому времени стараниями ученых, прежде всего англичанина Траверса, появиласьвозможность получать значительные количества жидкого воздуха. Стал доступендаже жидкий водород. Благодаря этому Рамзай совместно с Траверсом смог занятьсяисследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха, получающейся послеотгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и аргона. Остаток содержалсырой (то есть неочищенный) криптон (“скрытый”). Однако после откачки его всосуде неизменно оставался пузырек газа. Этот газ голубовато светился вэлектрическом разряде и давал своеобразный спектр с линиями в областях от оранжевойдо фиолетовой. Характерные спектральные линии — визитная карточка элемента. УРамзая и Траверса были все основания считать, что открыт новый инертный газ.Его назвали ксеноном, что в переводе с греческого значит «чужой»: в криптоновойфракции воздуха он действительно выглядел чужаком. В поисках нового элемента идля изучения его свойств Рамзай и Траверс переработали около ста тонн жидкоговоздуха; индивидуальность ксенона как нового химического элемента ониустановили, оперируя всего 0,2 см3 этого газа. Необычайная для тоговремени тонкость эксперимента! Хотя содержание ксенона в атмосфере крайне мало,именно воздух — практически единственный и неисчерпаемый источник ксенона.Неисчерпаемый — потому, что почти весь ксенон возвращается в атмосферу.

Заслуга открытия высшегопредставителя инертных газов принадлежит тому же Рамзаю. При помощи весьматонких технических приёмов он доказал, что радиоактивное истечение из радия –эманация радия – представляет собой газ, подчиняющийся всем законам обычныхгазов, химически инертный и обладающий характерным спектром. Его молекулярныйвес – около 220 – был Рамзаем измерен по скорости диффузии. Если предположить,что ядро атома эманации радия – это остаток ядра радия после выбрасывания изнего ядра атома гелия — <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

-частицы, то заряд его должен быть равен 88-2=86, т.е. новый элементдолжен действительно быть инертным газомс атомным весом 226-4=222.

Таким образом, послеблестящих экспериментов 16 марта 1900 г. в Лондоне произошла встреча Менделееваи Рамзая, на которой было официально решено включить в периодическую системуновую группу химических элементов.

2. Физические свойства инертных газов.

Благородные газы – бесцветныеодноатомные газ без цвета и запаха.

Инертные газы обладают болеевысокой электропроводностью по сравнению с другими газами и при прохождениичерез них тока ярко светятся: гелий ярко-жёлтым светом, потому что в егосравнительно простом спектре двойная жёлтая линия преобладает над всемидругими; неон огненно красным светом, так как самые яркие его линии лежат вкрасной части спектра.

Насыщенный характер атомныхмолекул инертных газов сказывается и в том, что инертные газы имеют болеенизкие точки сжижения и замерзания, чем другие газы с тем же молекулярнымвесом.

3. Физиологическоедействие инертных газов.

Естественно было ожидать,что столь химически инертные вещества, как инертные газы, не должны влиять и наживые организмы. Но это не так. Вдыхание высших инертных газов (конечно в смесис кислородом) приводит человека в состояние, сходное с опьянением алкоголем.Наркотическое действие инертных газов обуславливается растворением в нервныхтканях. Чем выше атомный вес инертного газа, тем больше его растворимость и темсильнее его наркотическое действие.

4. Химические свойстваинертных газов.

Долгое время не находилиусловий, при которых благородные газы могли бы вступать в химическоевзаимодействие. Они не образовывали истинных химических соединений. Инымисловами их валентность равнялась нулю. На этом основании было решено новуюгруппу химических элементов считать нулевой. Малая химическая активностьблагородных газов объясняется жёсткой восьмиэлектронной конфигурацией внешнегоэлектронного слоя. Поляризуемость атомов растёт с увеличением числа электронныхслоёв. Следовательно, она должна увеличиваться при переходе от гелия к радону.В этом же направлении должна увеличиваться и реакционная способностьблагородных газов.

Так, уже в 1924 годувысказывалась идея, что некоторые соединения тяжелых инертных газов (вчастности, фториды и хлориды ксенона) термодинамически вполне стабильны и могутсуществовать при обычных условиях. Через девять лет эту идею поддержали иразвили известные теоретики — Полинг и Оддо. Изучение электронной структурыоболочек криптона и ксенона с позиций квантовой механики привело к заключению,что эти газы в состоянии образовывать устойчивые соединения с фтором. Нашлись иэкспериментаторы, решившие проверить гипотезу, но шло время, ставились опыты, афторид ксенона не получался. В результате почти все работы в этой области былипрекращены, и мнение об абсолютной инертности благородных газов утвердилосьокончательно.

Однако в 1961 году Бартлетт,сотрудник одного из университетов Канады, изучая свойства гексафторида платины,соединения более активного, чем сам фтор, установил, что потенциал ионизации уксенона ниже, чем у кислорода (12, 13 и 12, 20 эв соответственно). Между темкислород образовывал с гексафторидом платины соединение состава O2PtF6…Бартлетт ставит опыт и при комнатной температуре из газообразного гексафторидаплатины и газообразного ксенона получает твердое оранжево — желтое вещество —гексафторплатинат ксенона XePtF6, поведение которого ничем неотличается от поведения обычных химических соединений. При нагревании в вакуумеXePtF6 возгоняется без разложения, в воде гидролизуется, выделяяксенон:

2XePtF6 + 6Н2О= 2Хе + О2 + 2PtО2 + 12HF

Последующие работы Бартлеттапозволили установить, что ксенон в зависимости от условий реакции образует двасоединения с гексафторидом платины: XePtF6 и Xe (PtF6) 2;при гидролизе их получаются одни и те же конечные продукты. Убедившись, чтоксенон действительно вступил в реакцию с гексафторидом платины, Бартлеттвыступил с докладом и в 1962 году опубликовал в журнале «Proceedings of theChemical Society» статью, посвященную сделанному им открытию. Статья вызвалаогромный интерес, хотя многие химики отнеслись к ней с нескрываемым недоверием.Но уже через три недели эксперимент Бартлетта повторила группа американскихисследователей во главе с Черником в Аргоннской национальной лаборатории. Крометого, они впервые синтезировали аналогичные соединения ксенона с гексафторидамирутения, родия и плутония. Так были открыты первые пять соединений ксенона:XePtF6, Xe (PtF6)2, XeRuF6, XeRhF6,XePuF6 — миф об абсолютной инертности благородных газов развеян изаложено начало химии ксенона. Настало время проверить правильность гипотезыо возможности прямого взаимодействия ксенона с фтором.

Смесь газов (1 часть ксенонаи 5 частей фтора) поместили в никелевый (поскольку никель наиболее устойчив кдействию фтора) сосуд и нагрели под сравнительно небольшим давлением. Через чассосуд быстро охладили, а оставшийся в нем газ откачали и проанализировали. Этобыл фтор. Весь ксенон прореагировал! Вскрыли сосуд и обнаружили в нембесцветные кристаллы XeF4. Тетрафторид ксенона оказался вполнеустойчивым соединением, молекула его имеет форму квадрата с ионами фтора поуглам и ксеноном в центре. Тетрафторид ксенона фторирует ртуть:

ХеF4 + 2Hg = Хe +2HgF2

Платина тоже фторируетсяэтим веществом, но только растворенным во фтористом водороде.

Интересно в химии ксенонато, что, меняя условия реакции, можно получить не только XeF4, но идругие фториды—XeF2, XeF6.

Советские химики В. М. Хуторецкий и В. А. Шпанскийпоказали, что для синтеза дифторида ксенона совсем не обязательны жесткиеусловия. По предложенному ими способу смесь ксенона и фтора (в молекулярномотношении 1:1) подается в сосуд из никеля или нержавеющей стали, и приповышении давления до 35 атм начинается самопроизвольная реакция.

XeF2 —единственный фторид ксенона, который можно получить, не пользуясь элементарнымфтором. Он образуется при действии электрического разряда на смесь ксенона ичетырехфтористого углерода. Возможен, конечно, и прямой синтез. Очень чистыйХеF2 получается, если смесь ксенона и фтора облучить ультрафиолетом.Растворимость дифторида в воде невелика, однако раствор его — сильнейшийокислитель. Постепенно он саморазлагается на ксенон, кислород и фтористыйводород; особенно быстро разложение идет в щелочной среде. Дифторид имеетрезкий специфический запах. Большой теоретический интерес представляет методсинтеза дифторида ксенона, основанный на воздействии на смесь газовультрафиолетового излучения (длина волн порядка 2500—3500 А). Излучениевызывает расщепление молекул фтора на свободные атомы. В этом и заключаетсяпричина образования дифторида: атомарный фтор необычайно активен. Для полученияXeF6 требуются более жесткие условия: 700° С и 200 атм. В такихусловиях в смеси ксенона и фтора (отношение от 1:4 до 1:20) практически веськсенон превращается в XeF6. Гексафторид ксенона чрезвычайно активени разлагается со взрывом. Он легко реагируете фторидами щелочных металлов(кроме LiF):

XeF6 + RbF = RbXeF7,

но при 50° С эта соль разлагается:

2RbXeF7=XeF6+ Rb2XeF8

Сообщалось также о синтезе высшего фторида XeF8,устойчивого лишь при температуре ниже минус 196° C.

Синтез первых соединенийксенона поставил перед химиками вопрос о месте инертных газов в периодическойсистеме. Прежде благородные газы были выделены в отдельную нулевуюгруппу, что вполне отвечало представлению об их валентности. Но, когда ксенонвступил в химическую реакцию, когда стал известен его высший фторид, в которомвалентность ксенона равна восьми (а это вполне согласуется со строением егоэлектронной оболочки), инертные газы решили перенести в VIII группу. Нулеваягруппа перестала существовать.

Заставитьксенон вступить в реакцию без участия фтора (или некоторых его соединений) покане удалось. Все известные ныне соединения ксенона получены из его фторидов. Этивещества обладают повышенной реакционной способностью. Лучше всего изученовзаимодействие фторидов ксенона с водой. Гидролиз ХеF4 в кислойсреде ведет к образованию окиси ксенона ХеО3 — бесцветных,расплывающихся на воздухе кристаллов. Молекула ХеО3 имеет структуруприплюснутой треугольной пирамиды с атомом ксенона в вершине. Это соединениекрайне неустойчиво; при его разложении мощность взрыва приближается к мощностивзрыва тротила. Достаточно несколько сотен миллиграммов ХеО3, чтобыэксикатор разнесло в куски. Не исключено, что со временем трехокись ксенонабудут использовать как взрывчатое вещество дробящего действия. Такая взрывчаткабыла бы очень удобна, потому что все продукты взрывной реакции — газы. Пока жеиспользовать для этой цели трехокись ксенона слишком дорого — ведь ксенона ватмосфере меньше, чем золота в морской воде, и процесс его выделения слишкомтрудоемок. Напомним, что для получения 1 м3 ксенона нужнопереработать 11 млн. м3 воздуха. Соответствующая трехокисинеустойчивая кислота шестивалентного ксенона H6XeO6образуется в результате гидролиза XeF6 при 0° С:

XeF6 + 6H2О= 6HF + H6XeO6

Если к продуктам этойреакции быстро добавить Ва (ОН)2, выпадает белый аморфный осадок Ва3ХеО6.При 125° С он разлагается на окись бария, ксенон и кислород. Полученыаналогичные соли—ксенонаты натрия и калия. При действии озона на раствор ХеО3в одномолярном едком натре образуется соль высшей кислоты ксенона Na4ХеО6.Перксенонат натрия может быть выделен в виде бесцветного кристаллогидратаNa4XeO6 · 6Н2О. К образованию перксенонатов приводит и гидролиз XeF6в гидроокисях натрия и калия. Если твердую соль Na4XeO6обработать раствором нитрата свинца, серебра или уранила, то получаютсясоответствующие перксенонаты: PbXeO6 и (UO2) 2XeO6желтого цвета и Ag4XeO6 — черного. Аналогичные соли даюткалий, литий, цезий, кальций.

Окисел, соответствующийвысшей кислоте ксенона, получают взаимодействием Na4XeO6с безводной охлажденной серной кислотой. Это четырехокись ксенона ХеO4.В ней, как и в октафториде, валентность ксенона равна восьми. Твердаячетырехокись при температуре выше 0° С разлагается на ксенон и кислород, агазообразная (при комнатной температуре) — на трехокись ксенона, ксенон икислород. Молекула ХеO4 имеет форму тетраэдра с атомом ксенона вцентре. В зависимости от условий гидролиз гексафторида ксенона может идти двумяпутями; в одном случае получается тетраоксифторид XeOF4, другом —диоксифторид XeO2F2. Прямой синтез из элементов приводитк образованию оксифторида ХеОF2. Все это бесцветные твердыевещества, устойчивые в обычных условиях.

Очень интересна изученнаянедавно реакция дифторида ксенона с безводной НС1O4. В результатеэтой реакции получено новое соединение ксенона ХеСlO4 — чрезвычайномощный окислитель, вероятно, самый сильный из всех перхлоратов.

Синтезированы такжесоединения ксенона, не содержащие кислорода. Преимущественно это двойные соли,продукты взаимодействия фторидов ксенона с фторидами сурьмы, мышьяка, бора,тантала: XeF2 · SbF5, ХеF6 · AsF3,ХеF6 · ВF3 и ХеF2 · 2ТаF5. Инаконец, получены вещества типа XeSbF6, устойчивые при комнатнойтемпературе, и XeSiF6 — нестойкий комплекс.

В распоряжении химиковимеются весьма незначительные количества радона, тем не мене удалосьустановить, что он также взаимодействует с фтором, образуя нелетучие фториды.Для криптона выделены и изучены дифторид KrF2 и тетрафторид KrF4посвойствам, напоминающим соединения ксенона.

5. Применение инертных газов.

Гелий является важнымисточником низких температур. При температуре жидкого гелия тепловое движениеатомов и свободных электронов в твердых телах практически отсутствует, что позволяетизучать многие новые явления, например сверхпроводимость в твердом состоянии.

Газообразный гелийиспользуют как легкий газ для наполнения воздушных шаров. Поскольку он негорюч,его добавляют к водороду для заполнения оболочки дирижабля.

Так как гелий хуже растворимв крови, чем азот, большие количества гелия применяют в дыхательных смесях дляработ под давлением, например при морских погружениях, при создании подводныхтоннелей и сооружений. При использовании гелия декомпрессия (выделение растворенногогаза из крови) у водолаза протекает менее болезненно, менее вероятна кессоннаяболезнь, исключается такое явление, как азотный наркоз, – постоянный и опасныйспутник работы водолаза. Смеси He–O2 применяют, благодаря их низкойвязкости, для снятия приступов астмы и при различных заболеваниях дыхательныхпутей.

Гелий используют какинертную среду для дуговой сварки, особенно магния и его сплавов, при полученииSi, Ge, Ti и Zr, для охлаждения ядерных реакторов.

Другие применения гелия –для газовой смазки подшипников, в счетчиках нейтронов (гелий-3), газовыхтермометрах, рентгеновской спектроскопии, для хранения пищи, в переключателяхвысокого напряжения. В смеси с другими благородными газами гелий используется внаружной неоновой рекламе (в газоразрядных трубках). Жидкий гелий выгоден дляохлаждения магнитных сверхпроводников, ускорителей частиц и других устройств.Необычным применением гелия в качестве хладагента является процесс непрерывногосмешения 3He и 4He для создания и поддержания температурниже 0,005 K

Области применения ксенона разнообразны и поройнеожиданны. Человек использует и его инертность и его чудесную способностьвступать в реакцию со фтором. В светотехнике признание получили ксеноновыелампы высокого давления. В таких лампах светит дуговой разряд в ксеноне,находящемся под давлением в несколько десятков атмосфер. Свет в ксеноновыхлампах появляется сразу после включения, он ярок и имеет непрерывный спектр —от ультрафиолетового до ближней области инфракрасного. Ксеноном пользуются имедики — при рентгеноскопических обследованиях головного мозга. Как и баритоваякаша, применяющаяся при просвечивании кишечника, ксенон сильно поглощаетрентгеновское излучение и помогает найти места поражения. При этом онсовершенно безвреден. Активный изотоп элемента № 54, ксенон — 133, используютпри исследовании функциональной деятельности легких и сердца.

Продувкой аргона через жидкую сталь из нее удаляютгазовые включения. Это улучшает свойства металла.

Все шире применяется дуговая электросварка в средеаргона. В аргонной струе можно сваривать тонкостенные изделия и металлы,которые прежде считались трудносвариваемыми. Не будет преувеличением сказать,что электрическая дуга в аргонной атмосфере внесла переворот в технику резкиметаллов. Процесс намного ускорился, появилась возможность резать толстые листысамых тугоплавких металлов. Продуваемый вдоль столба дуги аргон (в смеси сводородом) предохраняет кромки разреза и вольфрамовый электрод от образованияокисных, нитридных и иных пленок. Одновременно он сжимает и концентрирует дугуна малой поверхности, отчего температура в зоне резки достигает 4000—6000° С. Ктому же эта газовая струя выдувает продукты резки. При сварке в аргонной струенет надобности во флюсах и электродных покрытиях, а стало быть, и в зачисткешва от шлака и остатков флюса

Список использованнойлитературы

1. Петров М.М., МихилевЛ.А., Кукушкин Ю.Н. “Неорганическая химия”

2. Гузей Л.С. Лекции пообщей химии”

3. Ахметов Н.С. “Общая инеорганическая химия”

4. Некрасов Б.В. “Учебникобщей химии”

5. Глинка Н.Л. “Общая химия

6. Ходаков Ю.В. “Общая инеорганическая химия”

еще рефераты

Еще работы по химии

Реферат по химии

Химия в биологии , медицине, производстве лекарственных веществ

29 Августа 2013