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Introducción

Los gases nobles o inertes son: helio No, neón Nordeste, argón Arkansas, criptón kr, xenón je, radón Rn. Pertenecen al grupo VIII, el subgrupo principal del sistema periódico de elementos químicos de D.I. Mendeleev. Gases monoatómicos, incoloros e inodoros. La capa externa de electrones de las moléculas está llena (s 2 p 6), por lo que, cuando condiciones normales Los gases nobles son monoatómicos y químicamente inertes. Forman parte de la atmósfera terrestre: el argón es el más común (0,934 % en volumen), el xenón es el menos común (0,86 * 10 -5 %). Se encuentra en pequeñas cantidades en algunos minerales. gases naturales, disuelto en agua. Además, también se encuentran en las atmósferas de los planetas gigantes y en el Sol (helio).

La química de los gases nobles no es diversa debido a su inercia, pero por otro lado es muy interesante de estudiar por su especial estructura y propiedades. El estudio de estos elementos y sus compuestos es muy relevante, ya que se encuentra en la etapa de desarrollo. Es por estas razones que les he dedicado mi trabajo.

propiedad receptora de gas noble

Historia del descubrimiento de los gases nobles

El descubrimiento de los gases nobles y el estudio de sus propiedades son muy historia interesante, aunque causó algunos sustos entre los químicos. Este período de la historia de la química incluso ha sido llamado medio en broma "la pesadilla de los gases nobles".

El primer gas noble, el argón, se descubrió en 1894. En este momento, surgió una acalorada disputa científica entre dos científicos británicos: Lord Rayleigh y William Ramsay. A Rayleigh se le ocurrió que el nitrógeno obtenido del aire después de la eliminación del oxígeno tenía una densidad ligeramente mayor que el nitrógeno obtenido químicamente. Ramsay opinaba que tal anomalía en la densidad podría explicarse por la presencia de un gas pesado desconocido en el aire. Su colega, por el contrario, no quería estar de acuerdo con esto. Rayleigh creía que era, más bien, una especie de modificación del nitrógeno similar al ozono pesado.

Sólo el experimento podría aportar claridad. Ramsay eliminó el oxígeno del aire. de la manera habitual- usándolo para la combustión, y nitrógeno ligado, como solía hacer en sus experimentos de conferencias, pasándolo sobre magnesio al rojo vivo. Usando el gas restante para estudios espectrales adicionales, el científico asombrado vio un espectro nunca antes visto con líneas rojas y verdes.

A lo largo del verano de 1894, Lord Rayleigh y Ramsay mantuvieron una animada correspondencia y el 18 de agosto anunciaron el descubrimiento de un nuevo componente de la atmósfera: el argón. Ramsay continuó con sus experimentos y descubrió que el argón es aún más inerte que el nitrógeno y aparentemente no reacciona en absoluto con ningún otro químico. Es por esta propiedad que recibió su nombre: "argón", del griego "inerte".

Ramsay determinó la masa atómica del argón: 40. Por tanto, habría que situarlo entre el potasio y el calcio. Sin embargo, ¡no había espacio libre! Se han propuesto varias hipótesis para resolver esta contradicción. En particular, D. I. Mendeleev sugirió que el argón es una modificación alotrópica del nitrógeno N 3, cuya molécula es muy estable.

El helio fue identificado por primera vez como elemento químico en 1868 por P. Jansen mientras estudiaba Eclipse solar En India. En el análisis espectral de la cromosfera solar se encontró una línea amarilla brillante, originalmente atribuida al espectro del sodio, pero en 1971 J. Lockyer y P. Jansen demostraron que esta línea no pertenece a ninguno de los elementos conocidos en la Tierra. Lockyer y E. Frankland llamaron al nuevo elemento helio del griego. "genlios" que significa el sol. En ese momento, no sabían que el helio es un gas inerte y asumieron que era un metal. Y solo un cuarto de siglo después, se descubrió helio en la Tierra.

En 1890, Ramsay llamó la atención sobre el hecho de que cuando el mineral cleveíta se descompone con ácidos, se liberan cantidades significativas de un gas, que él consideró nitrógeno.

Ahora Ramsay quería comprobar: ¡tal vez se podría encontrar argón en este nitrógeno unido al mineral! Descompuso dos onzas de roca rara con ácido sulfúrico. En marzo de 1895 estudió el espectro del gas recogido y quedó extraordinariamente asombrado cuando descubrió una línea amarilla brillante, diferente de la conocida línea espectral amarilla del sodio.

Era un gas nuevo, un elemento gaseoso desconocido hasta entonces. William Crookes, quien en Inglaterra era considerado la principal autoridad en el campo del análisis espectral, informó a su colega que la notoria línea amarilla es la misma que Lockyer y Jansen notaron en 1868 en el espectro del Sol: por lo tanto, hay helio en la Tierra. Un año después, H. Keyser descubrió impurezas de helio en la atmósfera, y en 1906 se descubrió helio en la composición del gas natural de los pozos de petróleo en Kansas. En el mismo año, E. Rutherford y T. Royds descubrieron que las partículas alfa emitidas por elementos radiactivos son núcleos de helio.

Ramsay encontró una manera de colocar ambos gases recién descubiertos en la tabla periódica, aunque no había un lugar formal para ellos. A los ocho grupos de elementos conocidos, añadió un grupo cero, específicamente para los gases nobles no reactivos y de valencia nula, como se llamaba ahora a los nuevos elementos gaseosos.

Cuando Ramsay colocó los gases nobles en el grupo cero según su masa atomica- helio 4, argón 40, luego descubrió que entre ellos hay espacio para un elemento más. Ramsay informó esto en el otoño de 1897 en Toronto en una reunión de la Sociedad Británica. Después de muchos experimentos fallidos, a Ramsay se le ocurrió la idea de buscarlos en el aire. Mientras tanto, el alemán Linde y el inglés Hampson publicaron casi simultáneamente nueva manera licuefacción del aire. Ramsay usó este método y, de hecho, con su ayuda pudo detectar los gases faltantes en ciertas fracciones de aire licuado: criptón ("oculto"), xenón ("extraño") y neón ("nuevo").

Después de estos descubrimientos, quedó claro que en la naturaleza hay un grupo de nuevos elementos químicos y se les debe encontrar un lugar en el sistema de elementos químicos. Dado que estos nuevos elementos eran exclusivamente inertes y no presentaban propiedades químicas, por sugerencia del químico belga Herrera, así como de Ramsay, y de acuerdo con D.I. Mendeleev en 1900 introdujo el grupo cero de elementos químicos en el Sistema Periódico, que incluía los elementos nombrados, así como el radón ("rayo"), un producto de la desintegración radiactiva del radio (descubierto en 1901). El grupo cero, por supuesto, estaba ubicado frente al primer grupo; el número de grupo en el sistema Periódico está asociado con la máxima valencia de los elementos químicos que exhiben en los compuestos de oxígeno, o con el máximo estado de oxidación. Enormes esfuerzos de los químicos. diferentes paises, destinados a revelar la reactividad de nuevos elementos, fueron inútiles. No interactuaron con ninguno, ni siquiera con los más sustancias activas, por lo que se concluyó que la valencia y el estado de oxidación de los gases nobles son cero. En este sentido, fueron llamados "gases inertes". Posteriormente, este nombre fue reemplazado por el término "gases nobles".

El descubrimiento de los gases nobles fue de gran importancia para la comunidad científica. En particular, ayudó en la realización de estudios espectrales. La línea naranja del espectro del isótopo estable criptón-86 se ha adoptado como estándar internacional para la longitud de onda de la luz. Sin embargo, lo más gran importancia el descubrimiento de estos elementos tuvo para el desarrollo del concepto de valencia y la doctrina de las fuerzas intermoleculares. En esta dirección trabajaron los científicos Kossel y Lewis, quienes propusieron la hipótesis de que la capa electrónica de 8 electrones es la más estable y varios átomos tienden a adquirirla agregando o separando electrones.

Hasta 1962, se creía que los gases inertes no entraban en ninguna reacción. En 1962, el científico canadiense N. Bartlett pudo obtener un compuesto de xenón y hexafluoruro de platino XePtF 6 . Bartlett fue el primero en obtener un compuesto en el que estaba involucrada la capa de xenón de ocho electrones. Así, se destruyó el mito sobre la inercia absoluta de la capa de gas noble. Después de eso, el nombre de "gases inertes" ya no correspondía a la realidad, por lo tanto, por analogía con los metales nobles de baja actividad, este grupo de elementos químicos se denominó gases nobles. Desde que se obtuvieron compuestos químicos en los que la valencia máxima de los gases nobles es 8, en lugar del grupo cero, comenzaron a considerarse el subgrupo principal del grupo VIII del Sistema Periódico.

Gases inertes (gases nobles) - elementos que forman el grupo 18 PS (en la versión de período corto - el subgrupo principal del grupo 8): helio He (número atómico 2), neón Ne (Z = 10), argón Ar (Z = 18) criptón Kr (Z = 36), xenón Xe (Z = 54) y radón Rn (Z = 86). Los gases inertes están constantemente presentes en el aire (1 m 3 de aire contiene alrededor de 9,4 litros, principalmente Ar). Los científicos han estado analizando la composición del aire desde la segunda mitad del siglo XVIII. Sin embargo, para detectar gases inertes largo tiempo fallido. Debido a su pasividad química, no se manifestaron de ninguna manera en las reacciones ordinarias y escaparon a la atención de los investigadores. Solo después del descubrimiento del análisis espectral se descubrieron primero el helio y el argón, y luego otros gases inertes. A principios del siglo XX, la humanidad se sorprendió al saber que el aire, tan familiar y aparentemente estudiado, contiene 6 elementos previamente desconocidos.

Los gases inertes se disuelven en agua, contenidos en algunos rocas. El helio a veces se encuentra en gases subterráneos. Tales gases son su única fuente industrial. El neón, el argón, el criptón y el xenón se extraen del aire en el proceso de su separación en nitrógeno y oxígeno.

La fuente de Rn son las preparaciones de uranio, radio y otros elementos radiactivos. Aunque todos los gases inertes, excepto el radón, son estables, su origen se debe en gran medida a la radiactividad. Por lo tanto, los núcleos de helio, también llamados partículas ɑ, se forman constantemente como resultado de la desintegración radiactiva del uranio o el torio. El argón-40, que predomina en la mezcla natural de isótopos de argón, surge de la desintegración radiactiva del isótopo potasio-40. Finalmente, el origen de la mayor parte de las reservas terrestres de Xe probablemente se deba a la fisión espontánea de núcleos de uranio.

Todos los gases inertes son incoloros e inodoros. Las capas de electrones exteriores de sus átomos contienen el máximo número posible de electrones para las correspondientes capas exteriores: 2 para el helio y 8 para el resto. Tales conchas son muy resistentes. Esto está relacionado, en primer lugar, con la pasividad química de los gases inertes frente a otros elementos. Y en segundo lugar, la incapacidad de sus átomos para entrar en contacto entre sí, por lo que sus moléculas son monoatómicas. Los gases inertes, especialmente los ligeros, son difíciles de convertir en estado liquido. Intentemos resolverlo. Por que es esto entonces. Las moléculas de otros gases son dipolos permanentes, como el HCl, o se convierten fácilmente en dipolos (Cl 2 ). En los dipolos permanentes, los "centros de gravedad" de las cargas positivas y negativas no coinciden constantemente entre sí. La formación de un dipolo en moléculas del tipo Cl 2 está asociada con un cambio en ellos de los "centros de gravedad" de las cargas entre sí bajo la influencia de Fuerzas externas, en particular, bajo la acción de campos eléctricos de moléculas vecinas. Así, tanto en las moléculas de HCl como en las de Cl 2 existen fuerzas de atracción electrostática entre los polos opuestos de los dipolos. En determinadas temperaturas bajas estas fuerzas son suficientes para mantener las moléculas cerca unas de otras. En los átomos de gas inerte, la disposición de los electrones alrededor de los núcleos es estrictamente esférica. Por lo tanto, los átomos vecinos no pueden causar un cambio en los "centros de gravedad" de las cargas eléctricas en sus átomos y dar lugar a la formación de un dipolo "inducido", como en las moléculas de cloro. Por lo tanto, no existen dipolos permanentes o inducidos en los átomos de los gases inertes. Y si es así, las fuerzas de atracción entre ellos en condiciones normales están prácticamente ausentes. Sin embargo, debido a las vibraciones constantes de los átomos, los "centros" de las cargas pueden cambiar momentáneamente a lados diferentesátomo. Las fuerzas de atracción electrostática que surgen de la formación de este dipolo instantáneo son muy pequeñas, pero a muy temperaturas bajas son suficientes para condensar estos gases.

Durante mucho tiempo, los intentos de obtener compuestos químicos convencionales de gases inertes terminaron en fracaso. El científico canadiense N. Bartlett logró acabar con las ideas sobre la inactividad química absoluta de los gases inertes, quien en 1962 informó sobre la síntesis de un compuesto de xenón con hexafluoruro de platino PtF 6 . El compuesto de xenón resultante tenía la composición Xe. En los años siguientes, se sintetizó un gran número de y otros compuestos de radón, xenón y criptón.

Echemos un vistazo más de cerca a las propiedades químicas de los gases inertes.

Xenón

Debido a su baja abundancia, el xenón es mucho más caro que los gases nobles más ligeros. Para obtener 1 m 3 de xenón, es necesario procesar 10 millones de m 3 de aire. Por lo tanto, el xenón es el gas más raro en la atmósfera terrestre.

Cuando el xenón reaccionó con hielo bajo presión, se obtuvo su hexahidrato Xe∙6H 2 O. Bajo presión, durante la cristalización del fenol, se aisló otro compuesto clatrato con fenol Xe∙6C 6 H 5 OH. El trióxido de xenón XeO 3 en forma de cristales incoloros y el tetraóxido XeO 4 en forma de gas se obtuvieron y caracterizaron como sustancias extremadamente explosivas. A 0°C se produce una desproporción:

2XeO 3 \u003d XeO 4 + Xe + O 2

Al interactuar con el tetróxido de xenón del agua, donde el xenón está en el estado de oxidación +8, se forma un ácido perxenónico fuerte H 4 XeO 6, que no se pudo aislar en un estado individual, pero se obtuvieron sales - perxenatos. Metales alcalinos. Solo las sales de potasio, rubidio y cesio eran solubles en agua.

El xenón gaseoso reacciona con el hexafluoruro de platino PtF 6 para formar hexafluoroplatinato de xenón Xe. Cuando se calienta en vacío, se eleva sin descomposición y se hidroliza en agua con la liberación de xenón:

2Xe + 6H2O = 2Xe + O2 + 2PtO2 + 12HF

Más tarde resultó que el xenón forma 2 compuestos con hexafluoruro de platino: Xe y Xe 2 . Cuando el xenón se calienta con flúor, se forma XeF 4, que fluora el flúor y el platino:

XeF4 + 2Hg = Xe + 2HgF2
XeF 4 + 2Pt = Xe + 2PtF 4

Como resultado de la hidrólisis de XeF 4, se forma XeO 3 inestable, que se descompone en el aire con una explosión.

También se han obtenido XeF 2 y XeF 6, el último de los cuales se desintegra con una explosión. Es extremadamente activo, reacciona fácilmente con fluoruros de metales alcalinos:

XeF 6 + RbF = Rb

La sal de rubidio resultante se descompone a 50°C a XeF 6 y RbXeF 8
Con ozono en un ambiente alcalino, XeO 3 forma sal de sodio Na 4 XeO 6 (perxenonato de sodio). El anión perxenonato es el agente oxidante más fuerte conocido. También un agente oxidante fuerte es Xe(ClO-4) 2 . Es el oxidante más fuerte de todos los percloratos conocidos.

Radón

El radón forma clatratos que, aunque tienen una composición constante, no contienen enlaces químicos que involucren al radón. Se conocen hidratos Rn ∙ 6H 2 O, aductos con alcoholes, por ejemplo Rn ∙ 2C 2 H 5 OH, etc.. Con flúor, radón a altas temperaturas forma compuestos de composición RnF n, donde n = 4, 6, 2.

Criptón

Krypton forma compuestos de clatrato con agua, ácido sulfúrico, halógenos de hidrógeno, fenol, tolueno y otros. materia orgánica. Cuando el criptón reacciona con el flúor, se pueden obtener sus di y tetrafluoruros, que son estables solo a bajas temperaturas. El difluoruro exhibe las propiedades de un agente oxidante:

KrF2 + 2HCl = Kr + Cl2 + 2HF

2KrF2 + 2H2O = 2Kr + O2 + 4HF

No fue posible obtener compuestos de gases inertes más ligeros. Cálculos teóricos han demostrado que se pueden sintetizar compuestos de argón, pero no se pueden obtener a partir de helio y neón.

En 1962 aparecieron fórmulas de compuestos químicos inusuales en las páginas de revistas químicas: XePtF 6 , XeF 2 , XeF 4 , XeF 6 . La aparición de estas sustancias fue inesperada porque nadie en el mundo había sido capaz previamente de preparar un solo compuesto químico de gases inertes. Este es el nombre del conjunto de elementos químicos ubicados en el "flanco" derecho del sistema periódico: helio, neón, argón, criptón, xenón, radón.

La prevalencia de los gases inertes en la naturaleza.

La capacidad de los gases inertes para entrar en interacciones químicas se convirtió en la segunda sorpresa de su historia. El primero consistió en el hecho mismo de su descubrimiento, que tuvo lugar en muy poco tiempo, de 1894 a 1898. La composición de la atmósfera terrestre ya se consideraba bien estudiada en ese momento, y ni siquiera se suponía que podría contienen gases desconocidos de naturaleza elemental.

El físico inglés J. Rayleigh llamó la atención sobre circunstancia misteriosa: Las densidades del nitrógeno atmosférico y del nitrógeno obtenido a partir de compuestos químicos diferían. Que sea un poco, pero siempre en la misma cantidad. Para explicar esta anomalía, Rayleigh recurrió a su compatriota, el químico y físico W. Ramsay, en busca de ayuda. Después de discutir la situación y repetir los experimentos, los científicos llegaron a la conclusión de que el nitrógeno atmosférico contiene una mezcla de un gas desconocido. Fue posible aislarlo y determinar el espectro de este gas. El nuevo gas se llamó "argón", que significa "inactivo" en griego, porque el argón realmente resultó ser incapaz de entrar en reacciones químicas. Durante algún tiempo, incluso se consideró no un elemento químico, sino una modificación alotrópica (ver Alotropía) del nitrógeno (tal como se conocen el oxígeno O 2 y el ozono O 3).

En 1895, se aisló otro "elemento inactivo", el helio, del mineral de uranio kleveite (incluso antes se encontró en las líneas espectrales del Sol y en los gases volcánicos (ver Análisis espectral), más tarde también se descubrió en la atmósfera terrestre) , y después de 3 años, se aislaron 3 elementos inertes del aire: criptón, neón y xenón (los nombres provienen de palabras griegas que significan "oculto", "nuevo", "extranjero", respectivamente). El papel decisivo en estos descubrimientos pertenece a W. Ramsay. La técnica de licuar el aire y separarlo en fracciones que difieren en las temperaturas de licuefacción ayudó a aislar los gases enumerados. Finalmente, en 1899 en Canadá, E. Rutherford y R. Owen, estudiando el fenómeno de la radiactividad, demostraron la existencia del último gas inerte: el radón (el nombre proviene del elemento radio, cuyo producto de desintegración radiactiva es el radón).

Durante algún tiempo, los científicos discutieron sobre cómo colocar los gases inertes en la tabla periódica: no había un lugar adecuado en ninguno de sus 8 grupos. Finalmente, en 1900, llegaron a la conclusión de que sería conveniente crear un grupo cero independiente en el sistema periódico. Desde entonces, dicho grupo, que incluye elementos con números de serie 2, 10, 18, 36, 54, 86, comenzó a aparecer en la tabla periódica, los gases inertes completaron sus períodos (del primero al sexto).

Fue posible explicar la inactividad química de los gases inertes solo después del desarrollo del modelo planetario del átomo. Los átomos de todos los gases inertes, excepto el helio, contienen 8 electrones en la capa externa de electrones. Tal "octeto" electrónico se consideró muy estable, y esta idea formó la base para explicar el enlace químico iónico y covalente (ver Enlace químico). Recién a principios de los 60. siglo 20 Resultó que la incapacidad de los gases inertes para entrar en reacciones químicas es un engaño de los científicos. No metálico: el flúor ayudó a destruir la "armadura de inexpugnabilidad" de estos elementos.

Hoy en día, se conocen alrededor de 200 compuestos químicos de xenón, criptón y radón: fluoruros, cloruros, óxidos, ácidos, sales y nitruros. Tal abundancia llevó al hecho de que en el sistema periódico moderno se eliminó el grupo cero: todos los gases inertes comenzaron a colocarse en el subgrupo principal del grupo VIII. Es cierto que no todos los químicos están de acuerdo con esta decisión: después de todo, para el argón, obtener compuestos químicos estables es problemático, y para el helio y el neón es casi imposible.

Pero el concepto mismo de "inerte", por supuesto, ha perdido su significado anterior. A menudo, el helio y sus análogos también se denominan gases nobles (ya que, al igual que el oro, un metal anteriormente noble, no "querían" entrar en reacciones químicas). W. Ramsay sugirió una vez otro nombre: raro. Escribió que "hay menos xenón en el aire que oro en el agua del mar" y no estaba lejos de la verdad. Los gases inertes realmente pertenecen a los elementos menos comunes en la Tierra. La atmósfera de la Tierra es la más “rica” en argón (hay mucho más que todos los demás gases inertes combinados). Por eso se descubrió primero el argón.

Los gases inertes son ampliamente utilizados en ciencia y tecnología. El estudio de las propiedades del helio líquido condujo a asombrosos descubrimientos en física (superfluidez, superconductividad); El helio gaseoso es esencial para muchos investigación científica. Las lámparas, los tubos publicitarios, las lámparas para diversos fines se llenan con gases inertes. Los gases inertes se utilizan en la producción de sustancias altamente oxidantes. Compuestos químicos Los gases inertes también son interesantes no solo para los teóricos; son los agentes oxidantes más fuertes y, por lo tanto, permitieron llevar a cabo algunas reacciones químicas que parecían inusuales antes, por ejemplo, la preparación de compuestos de oro pentavalente.

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