Физические свойства инертных газов.
Инертные газы
План.
1. История открытия инертных газов.
2. Физические свойства.
3. Химические свойства.
4. Действие на организм человека.
История открытия инертных газов.К благородным газам относятся гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. По своим свойствам они не похожи ни на какие другие элементы и в периодической системе располагаются между типичными металлами и неметаллами.
История открытия инертных газов представляет большой интерес: во-первых, как триумф введённых Ломоносовым количественных методов химии(открытие аргона), а во-вторых, как триумф теоретического предвидения (открытие остальных инертных газов), опирающегося на величайшее обобщение химии – периодический закон Менделеева.
Открытие физиком Рэлеем и химиком Рамзаем первого благородного газа – аргона – произошло в то время, когда построение периодической системы казалось завершённым и в ней оставалось лишь несколько пустых клеток.
Ещё 1785 году английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенно устойчивый химически. 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.
Воздух, при помощи раскалённой меди был лишён своего кислорода и затем нагрет с кусочками магния в трубочке. После того как значительное количество азота было поглощено магнием, была определена плотность остатка.
Плотность оказалась в 15 раз больше плотности водорода, тогда как плотность азота только в 14 раз больше её. Эта плотность возрастала ещё по мере дальнейшего поглощения азота, пока не достигла 18.
Так было доказано, что воздух содержит газ, плотность которого больше плотности азота… Получили 100 см3 этого вещества с плотностью равной 19,9. Оно оказалось одноатомным газом.
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, да еще такую заметную - почти процент! Кстати, именно в этот день и час, 13 августа 1894 года, аргон и получил свое имя, которое в переводе с греческого значит “недеятельный”.
Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 П.Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия, первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1871 Дж.Локьер и П.Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов. Локьер и Э.Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. “гелиос”, что означает солнце.
В то время не знали, что гелий – инертный газ, и предполагали, что это металл. И только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У.Рамзай и почти одновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита.
Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что a-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.
После этого открытия Рамзай пришёл к выводу, что существует целая группа химических элементов, которая располагается в периодической системе между щелочными металлами и галогенами. Пользуясь периодическим законом и методом Менделеева, было определено количество неизвестных благородных газов и их свойства, в частности их атомные массы. Это позволило осуществить и целенаправленные поиски благородных газов.
Рамзай и его сотрудники в поисках инертных газов занялись минералами, природными водами, даже метеоритами. Однако, все было безрезультатно, анализы неизменно оказывались отрицательными.
Между тем — новый газ в них был, но используемые методы,не были достаточно чувствительными и эти “микроследы” не улавливались.
Начав исследовать воздух, всего за четыре последующих года было открыто четыре новых элемента, а такие газы, как неон, криптон и ксенон были даже выделены из воздуха.
Для этого, воздух, очищенный предварительно от углекислоты и влаги, сжижали, а затем начинали медленно испарять. При этой процедуре более легкие газы улетучиваются и оставшиеся после испарения тяжелые инертные газы рассортировывают.
Полученные фракции подвергались различным исследованиям.
Рассмотрим спектральный анализ, как один из методов определения:
Это несложная процедура позволяет безошибочно идентифицировать инертные газа по линиям спектра.
Для этого газ помещается в разрядную трубку, к которой подключен ток.
Когда в разрядную трубку поместили первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха, то в спектре наряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаружены новые линии, из них особенно яркими были красные и оранжевые. Они придавали свету в трубке огненную окраску. Интересна история названия этого газа:
Когда Рамзай наблюдал, в очередном опыте, спектр только что полученного газа, в лабораторию вошел его двенадцатилетний сын, успевший стать “поклонником” отцовых работ. Увидев необычное свечение, он воскликнул: “new one!” , что по-древнегречески значит “новый”.
Так возникло название газа “неон”.
Найти инертные газы, завершающие четвёртый, пятый и шестой периоды таблицы Менделеева удалось не сразу, хотя после того как были открыты гелий, неон и аргон, завершающие три первых периода таблицы Менделеева, в их существовании сомнений не было.
Но к тому времени научились получать значительные количества жидкого воздуха, во много благодаря стараниям английского ученого Траверса.
Стал доступен даже жидкий водород.
И Рамзай совместно с Траверсом смогли заняться исследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха, получающейся после отгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и аргона.
Остаток одержал сырой (неочищенный) криптон. И после откачки его в сосуде неизменно оставался пузырек газа. Этот газ давал своеобразный спектр с линиями в областях от оранжевой до фиолетовой и имел голубоватое свечение в электрическом разряде. Как известно, по спектральным линиям можно безошибочно идентифицировать элемент. И У Рамзая и Траверса были все основания считать, что открыт новый инертный газ.
Он получил название - ксенон, что в переводе с греческого значит “чужой”. Ведь действительно, в криптоновой фракции воздуха он выглядел чужаком.
В поисках нового элемента и для изучения его свойств Рамзай и Траверс переработали около ста тонн жидкого воздуха. Содержание ксенона в атмосфере крайне мало, но именно воздух — практически единственный и неисчерпаемый источник ксенона (почти весь ксенон возвращается в атмосферу).
Индивидуальность ксенона как нового химического элемента установили, оперируя всего 0,2 см3 этого газа.
Рамзаю так же принадлежит заслуга открытия высшего представителя инертных газов. Используя тонкие технические приёмы, он доказал, что радиоактивное истечение из радия – эманация радия – представляет собой газ, подчиняющийся всем законам обычных газов, химически инертный и обладающий характерным спектром. Рамзай измерил скорость диффузии, что позволило установить молекулярный вес газа, составляющий примерно 220:
Исходя из предположения, что ядро атома эманации радия – это остаток ядра радия после выбрасывания из него ядра атома гелия (a –частицы), то выходит, что заряд его должен быть равен 88-2=86. Таким образом, новый элемент должен действительно быть инертным газом. А его атомный вес 226-4=222. Официально было решено включить в периодическую систему новую группу химических элементов 16 марта 1900 года, после встречи Рамзая с Менделеевым.
Физические свойства инертных газов.
Инертные газы не имеют цвета и запаха. И являются одноатомными. Инертные газы считаются благородными. Обладают более высокой электропроводностью (по сравнению с другими) и, при прохождении через них тока, ярко светятся.
Неон - огненно красным светом, так как его самые яркие линии находятся в красной области спектра.
Гелий - ярко-жёлтым светом, это объясняется тем, что в его сравнительно простом спектре, двойная жёлтая линия преобладает над всеми другими.
Инертные газы имеют более низкие точки сжижения и замерзания, по сравнению с другими газами с тем же молекулярным весом. Это происходит из-за насыщенного характера атомных молекул инертных газов.