UŠĽACHTILÉ PLYNY: VLASTNOSTI, KONFIGURÁCIA, REAKCIE, POUŽITIA - CHÉMIA - 2025

Tieto vzácne plyny sú súbor prvkov zistených prostredníctvom začlenenia skupiny 18 periodickej tabuľky. V priebehu rokov sa tiež nazývali vzácnymi alebo inertnými plynmi, ktoré boli nepresné názvy; niektoré z nich sú veľmi bohaté na vonkajšiu a vnútornú planétu Zem a sú tiež schopné v extrémnych podmienkach reagovať.

Jej sedem prvkov tvorí pravdepodobne najunikátnejšiu skupinu v periodickej tabuľke, ktorej vlastnosti a nízka reaktivita sú rovnako pôsobivé ako vlastnosti ušľachtilých kovov. Medzi nimi prehliadajú najnebezpečnejší prvok (neón), druhý najhojnejší z kozmu (hélium) a najťažší a najstabilnejší (oganesón).

Žiarenie piatich vzácnych plynov v sklenených fľaštičkách alebo ampulkách. Zdroj: Nová práca Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew.de); originálne jednotlivé obrázky: Jurii, http://images-of-elements.com.

Ušľachtilé plyny sú najchladnejšou látkou v prírode; vydržia veľmi nízke teploty pred kondenzáciou. Ešte ťažšie je jeho zmrazenie, pretože jeho medzimolekulové sily založené na rozptyle v Londýne a polarizovateľnosť jeho atómov sú príliš slabé na to, aby ich udržali súdržné v kryštáli.

Pre svoju nízku reaktivitu sú relatívne bezpečnými plynmi na skladovanie a nepredstavujú príliš veľa rizík. Môžu však vytlačiť kyslík z pľúc a spôsobiť nadmerné vdýchnutie. Na druhej strane, dvaja z jeho členov sú vysoko rádioaktívne prvky, a preto sú zdraviu škodlivé.

Nízka reaktivita vzácnych plynov sa tiež používa na zabezpečenie reakcií s inertnou atmosférou; takže žiadne činidlo alebo produkt nepredstavuje riziko oxidácie a ovplyvnenia výkonu syntézy. To tiež uprednostňuje procesy zvárania elektrickým oblúkom.

Na druhej strane sú vo svojich kvapalných stavoch vynikajúcimi kryogénnymi chladivami, ktoré zaručujú najnižšie teploty, ktoré sú nevyhnutné pre správnu činnosť vysoko energetických zariadení, alebo aby niektoré materiály dosiahli supravodivé stavy.

Vlastnosti vzácnych plynov

Vpravo (zvýraznené oranžovou farbou) je skupina vzácnych plynov. Zhora nadol: Hélium (He), neóny (Ne), argón (Ar), kryptón (Kr), xenón (Xe) a radón (Rn).

Možno sú vzácne plyny prvkami, ktoré majú spoločné spoločné vlastnosti, a to fyzikálne aj chemické. Jeho hlavné charakteristiky sú:

- Všetky sú bezfarebné, bez zápachu a bez chuti; ale keď sú uzavreté v ampulkách pri nízkych tlakoch a dostanú elektrický šok, ionizujú a vydávajú farebné svetlá (horný obrázok).

- Každý vzácny plyn má svoje vlastné svetlo a spektrum.

- Sú to monatomické druhy, jediné v periodickej tabuľke, ktoré môžu existovať v ich príslušných fyzikálnych stavoch bez účasti chemických väzieb (pretože kovy sú spojené kovovými väzbami). Preto sú ideálne na štúdium vlastností plynov, pretože sa veľmi dobre prispôsobujú sférickému modelu ideálneho plynu.

- vo všeobecnosti ide o prvky s najnižšou teplotou topenia a teplotou varu; natoľko, že hélium nemôže kryštalizovať pri absolútnej nule bez zvýšenia tlaku.

- Zo všetkých prvkov sú najmenej reaktívne, dokonca menej ako ušľachtilé kovy.

- Ich ionizačná energia je najvyššia, rovnako ako ich elektronická aktivita, za predpokladu, že tvoria čisto kovalentné väzby.

- Ich atómové polomery sú tiež najmenšie, pretože v každej perióde sú úplne vpravo.

7 vzácnych plynov

Sedem vzácnych plynov klesá zhora nadol cez skupinu 18 periodickej tabuľky:

-Helio, On

-Neon, Ne

-Argon, Ar

-Krypton, Kr

-Xenón, Xe

-Radon, Rn

-Oganeson, Og

Všetky z nich, s výnimkou nestabilného a umelého oganesónu, boli študované z hľadiska ich fyzikálnych a chemických vlastností. Verí sa, že Oganeson vďaka svojej veľkej atómovej hmotnosti nie je ani plyn, ale skôr ušľachtilá tekutina alebo pevná látka. O radóne je málo známe kvôli jeho rádioaktivite vzhľadom na hélium alebo argón.

Elektronická konfigurácia

Hovorí sa, že vzácne plyny majú úplne naplnený valenčný obal. Natoľko, že ich elektronické konfigurácie sa používajú na zjednodušenie konfigurácie ostatných prvkov pomocou ich symbolov uzavretých v hranatých zátvorkách (,,, atď.). Jeho elektronické konfigurácie sú:

-Helium: 1s ² , (2 elektróny)

-Neon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ (10 elektrónov)

-Argon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ (18 elektrónov)

-Krypton: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ (36 elektrónov)

-Xenón: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶ (54 elektrónov)

-Radon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 4f ¹⁴ 5s ² 5p ⁶ 5d ¹⁰⁶ 6 ² 6p ⁶ (86 elektrónov)

Dôležité nie je pamätať si ich, ale podrobne uviesť, že končia ns ² np ⁶ : valenčný oktet. Podobne sa oceňuje, že jeho atómy majú veľa elektrónov, ktoré sú vzhľadom na veľkú efektívnu jadrovú silu v porovnaní s ostatnými prvkami v menšom objeme; to znamená, že ich atómové polomery sú menšie.

Ich elektronicky husté atómové polomery preto vykazujú chemickú charakteristiku, ktorú zdieľajú všetky vzácne plyny: je ťažké ich polarizovať.

Polarizabilita

Ušľachtilé plyny si možno predstaviť ako sféry elektrónového oblaku. Pri zostupe cez skupinu 18 sa jej polomery zväčšujú a rovnakým spôsobom sa oddeľuje jadro od valenčných elektrónov (vzdialenosť ns ² np ⁶ ).

Tieto elektróny pociťujú jadrom menej atraktívnu silu, môžu sa voľne pohybovať; gule sa ľahšie deformujú, čím väčšie sú. V dôsledku týchto pohybov sa objavujú oblasti s nízkou a vysokou hustotou elektrónov: póly δ + a δ-póly.

Ak je atóm ušľachtilého plynu polarizovaný, stáva sa okamžitým dipólom schopným vyvolať ďalší susedný atóm; to znamená, že sme pred rozptyľujúcimi silami Londýna.

Preto sa medzimolekulové sily zvyšujú z hélia na radón, čo sa odráža v ich zvyšujúcich sa teplotách varu; a nielen to, ale tiež sa zvyšuje ich reaktivita.

Keď sú atómy polarizované, existuje väčšia možnosť, že sa ich valenčné elektróny podieľajú na chemických reakciách, po ktorých vznikajú zlúčeniny vzácnych plynov.

reakcie

Hélium a neón

Spomedzi ušľachtilých plynov sú najmenej reaktívne hélium a neóny. V skutočnosti je neón najinertnejším prvkom zo všetkých, aj keď jeho elektronegativita (z tvorby kovalentných väzieb) prevyšuje elektrónovú fluóru.

Žiadna z jej zlúčenín nie je známa v suchozemských podmienkach; v kozmoch je však existencia molekulového iónu HeH ⁺ celkom pravdepodobná . Podobne, keď sú elektronicky vzrušené, sú schopné interagovať s plynnými atómami a vytvárať krátkodobo neutrálne molekuly nazývané exciméry; ako je He-Ne, CsNe a Nie ₂ .

Na druhej strane, hoci nie sú považované za zlúčeniny vo formálnom zmysle, atómy He a Ne môžu viesť k vzniku molekúl Van der Walls; to znamená, zlúčeniny, ktoré sú držané „spolu“ jednoducho disperznými silami. Napríklad: Ag ₃ He, HECO Hei ₂ , CF ₄ Nie, Nie ₃ Cl ₂ a NeBeCO ₃ .

Podobne môžu také molekuly Van der Walls existovať vďaka slabým iónom indukovaným dipólovým interakciám; napríklad: Na ⁺ on ₈ , Rb ⁺ He, Cu ⁺ Nie ₃ a Cu ⁺ Nie ₁₂ . Všimnite si, že je dokonca možné, aby sa tieto molekuly stali aglomerátmi atómov: zhluky.

A nakoniec môžu byť atómy He a Ne „zachytené“ alebo interkalované v endohedrálnych komplexoch fullerénov alebo klatrátov bez toho, aby reagovali; napríklad: ₆₀ , (N ₂ ) ₆ Nie ₇ , on (H ₂ O) ₆ a Nie • NH ₄ Fe (HCOO) ₃ .

Argon a kryptón

Ušľachtilé plyny argón a kryptón, pretože sú viac polarizovateľné, majú tendenciu predstavovať viac „zlúčenín“ ako hélium a neóny. Časť z nich je však stabilnejšia a charakteristickejšia, pretože majú dlhšiu životnosť. Medzi niektoré z nich patrí HArF a molekulárny ión ArH ⁺ prítomný v hmlovinách pôsobením kozmického žiarenia.

Z kryptónu sa začína možnosť získania zlúčenín v extrémnych, ale udržateľných podmienkach. Tento plyn reaguje s fluórom podľa nasledujúcej chemickej rovnice:

Kr + F ₂ → Krf ₂

Všimnite si, že krypton získava vďaka fluóru oxidačné číslo +2 (Kr ²⁺ ). Krf ₂ môže v skutočnosti byť syntetizované obchodovateľných množstvách ako oxidačné a fluoračných činidlá.

Argon a kryptón môžu vytvoriť široký repertoár klatrátov, endohedrálnych komplexov, molekúl Van der Walls a niektorých zlúčenín čakajúcich na objavenie po ich predpokladanej existencii.

Xenón a radón

Xenón je kráľom reaktivity medzi vzácnymi plynmi. Tvorí skutočne stabilné, obchodovateľné a charakterizovateľné zlúčeniny. V skutočnosti sa jeho reaktivita podobá reaktivite kyslíka za vhodných podmienok.

Jeho prvá syntetizovaná zlúčenina bola "XePtF ₆ ", v roku 1962 Neil Bartlett. Táto soľ v skutočnosti pozostávala z literatúry z komplexnej zmesi iných fluórovaných solí xenónu a platiny.

To však bolo viac ako dosť na preukázanie afinity medzi xenónom a fluórom. Medzi niektoré z týchto zlúčenín máme: XEF ₂ , XEF ₄ , XEF ₆ a ^{+ -} . Keď sa XeF ₆ rozpustí vo vode, vytvorí oxid:

XEF ₆ + 3 H ₂ O → Xeo ₃ + 6 HF

Tento Xeo ₃ môže pochádzať druhy známe ako xenatos (HXeO ₄ ^- ) alebo kyselina xenónová (H ₂ Xeo ₄ ). Xenates neprimerané perxenates (XEO ₆ ⁴ ); a v prípade, že zmes sa potom okyslí, v peroxenic kyseliny (H ₄ Xeo ₆ ), ktorý sa dehydratuje na xenónu osmičelý (XEO ₄ ):

H ₄ Xeo ₆ → 2 H ₂ O + Xeo ₄

Radón by mal byť naj reaktívnejší z ušľachtilých plynov; Je to však také rádioaktívne, že pred rozpadom nemá čas reagovať. Jediné zlúčeniny, ktoré boli plne syntetizované sú jeho fluorid (RNF ₂ ) a oxid (RNO ₃ ).

výroba

Skvapalnenie vzduchu

Keď zostupujeme cez skupinu 18, vzácne plyny sú vo vesmíre hojnejšie, avšak v atmosfére je hélium vzácne, pretože ho na rozdiel od iných plynov nedokáže udržať gravitačné pole Zeme. Preto nebol detekovaný vo vzduchu, ale na slnku.

Na druhej strane je vo vzduchu značné množstvo argónu, pochádzajúce z rádioaktívneho rozkladu rádioizotopu ⁴⁰ K. Vzduch je najdôležitejším prírodným zdrojom argónu, neónu, kryptónu a xenónu na planéte.

Pri ich výrobe musí byť vzduch najprv skvapalnený tak, aby kondenzoval na kvapalinu. Potom táto tekutina prechádza frakčnej destilácie, čím sa oddeľuje každú zo zložiek jeho zmesi (N ₂ , O ₂ , CO ₂ , Ar, atď).

V závislosti od toho, aká nízka teplota a množstvo plynu musí byť, sa jeho ceny zvyšujú a radí sa medzi xenón ako najdrahší, zatiaľ čo hélium ako najlacnejšie.

Destilácia zemného plynu a rádioaktívnych minerálov

Hélium sa získava inou frakčnou destiláciou; ale nie zo vzduchu, ale zo zemného plynu obohateného héliom vďaka uvoľňovaniu alfa častíc z rádioaktívnych tória a uránových minerálov.

Podobne sa radón „rodí“ z rádioaktívneho rozpadu rádia v príslušných mineráloch; ale kvôli ich nižšiemu výskytu a krátkému polčasu rozpadu atómov Rn je ich výskyt zanedbateľný v porovnaní s hustotou ich kongenérov (ostatných vzácnych plynov).

A nakoniec, oganeson je vysoko rádioaktívny, ultramasický, človekom vyrobený ušľachtilý „plyn“, ktorý môže existovať iba krátko za kontrolovaných podmienok v laboratóriu.

nebezpečenstvo

Hlavným rizikom ušľachtilých plynov je to, že obmedzujú používanie kyslíka človekom, najmä ak sa vytvára atmosféra s vysokou koncentráciou. Preto sa neodporúča nadmerne vdychovať.

V Spojených štátoch bola zistená vysoká koncentrácia radónu v pôdach bohatých na urán, čo by vzhľadom na jeho rádioaktívne vlastnosti mohlo predstavovať zdravotné riziko.

aplikácia

priemysel

Hélium a argón sa používajú na vytvorenie inertnej atmosféry na ochranu počas zvárania a rezania. Okrem toho sa používajú pri výrobe kremíkových polovodičov. Hélium sa používa ako plniaci plyn v teplomeroch.

Argon v kombinácii s dusíkom sa používa na výrobu žiaroviek. Vo výbojkách sa používa krypton zmiešaný s halogénmi, ako je bróm a jód. Neón sa používa vo svetelných znakoch, zmieša sa s fosformi a inými plynmi, aby zafarbil jeho červenú farbu.

Xenón sa používa v oblúkových žiarovkách, ktoré vyžarujú svetlo pripomínajúce denné svetlo, ktoré sa používajú v svetlometoch a projektoroch automobilov. Ušľachtilé plyny sa zmiešajú s halogénmi za vzniku ArF, KrF alebo XeCl, ktoré sa používajú pri výrobe excimerových laserov.

Tento typ lasera produkuje ultrafialové svetlo s krátkou vlnou, ktoré vytvára vysoko presné obrázky a používa sa pri výrobe integrovaných obvodov. Ako kryogénne chladiace plyny sa používajú hélium a neóny.

Balóny a dýchacie nádrže

Hélium sa používa ako náhrada dusíka v zmesi dýchacích plynov kvôli svojej nízkej rozpustnosti v tele. Tým sa okrem eliminácie narkózy dusíka zabráni tvorbe bublín počas dekompresnej fázy počas výstupu.

Hélium nahradilo vodík ako plyn, ktorý umožňuje zdvíhanie vzducholodí a teplovzdušných balónov, pretože je to ľahký a nehorľavý plyn.

Liek

Hélium sa používa na výrobu supravodivých magnetov používaných v jadrových magnetických rezonančných zariadeniach - viacúčelový nástroj v medicíne.

Krypton sa používa v halogénových žiarovkách používaných pri laserových operáciách očí a angioplastike. Hélium sa používa na uľahčenie dýchania astmatických pacientov.

Xenón sa používa ako anestetikum kvôli jeho vysokej rozpustnosti v tukoch a považuje sa za anestetikum budúcnosti. Xenón sa tiež používa pri lekárskom zobrazovaní pľúc.

Radón, rádioaktívny vzácny plyn, sa používa pri rádioterapii niektorých druhov rakoviny.

iní

Argon sa používa pri syntéze zlúčenín, ktoré nahrádzajú dusík ako inertnú atmosféru. Hélium sa používa ako nosný plyn v plynovej chromatografii, ako aj v Geigerovom počítadle na meranie žiarenia.

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6. júna 2019). Vlastnosti, použitie a zdroje vzácnych plynov. Získané z: thinkco.com
4. Wikipedia. (2019). Ušľachtilý plyn. Obnovené z: en.wikipedia.org
5. Philip Ball. (2012, 18. januára). Nemožná chémia: Nútené pôsobenie vzácnych plynov. Získané z: newscientist.com
6. Profesorka Patricia Shapleyová. (2011). Chémia vzácnych plynov. Získané z: butane.chem.uiuc.edu
7. Gary J. Schrobilgen. (28. februára 2019). Ušľachtilý plyn. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com