Химическая активность инертных газов

Химическая активность инертных газов 

Инертные газы отличаются крайне низкой химической активностью (отсюда и название). Тем не менее, все они при определенных условиях могут образовывать соединения (особенно охотно со фтором). Наиболее «инертны»  неон и гелий: чтобы заставить  их вступить в реакцию, нужно очень  постараться, искусственно ионизируя  каждый атом. Ксенон же, наоборот, слишком  активен (для инертных газов) и реагирует  даже при нормальных условиях, демонстрируя чуть ли не все возможные степени  окисления (+1, +2, +4, +6, +8). 

Инертные газы бесцветны  и не имеют запаха. В небольшом  количестве они присутствуют в воздухе  и некоторых горных породах. 

Инертные газы не ядовиты. Тем не менее, в атмосфере  чистого инертного газа человек  жить не может из-за отсутствия кислорода. Известны случаи гибели людей при  утечках аргона. Вдыхание радиоактивного радона может вызвать рак. 

Инертные газы, благородные  газы — редкие газы, химические элементы, образующие главную подгруппу 8-й  группы периодической системы Менделеева: гелий Не (атомный номер 2), неон Ne (10), аргон Ar (18), криптон Kr (36), ксенон Xe (54) и радон Rn (86). Из всех И. г. только Rn не имеет стабильных изотопов и представляет собой радиоактивный химический элемент. 

Название И. г. отражает химическую инертность элементов этой подгруппы, что объясняется наличием у атомов И. г. устойчивой внешней  электронной оболочки, на которой  у Не находится 2 электрона, а у  остальных И. г. по 8 электронов. Удаление электронов с такой оболочки требует  больших затрат энергии в соответствии с высокими потенциалами ионизации  атомов И. г. (см. таблицу). 

Из-за химической инертности И. г. долгое время не удавалось обнаружить, и они были открыты только во 2-й  половине 19 в. К открытию первого  И. г. — гелия — привело проведённое  в 1868 французом Ж. Жансеном и англичанином Н. Локьером спектроскопическое исследование солнечных протуберанцев. Остальные  И. г. были открыты в 1892—1908. 

И. г. постоянно присутствуют в свободном виде в воздухе. 1 м3 воздуха при нормальных условиях содержит около 9,4 л И. г., главным  образом аргона (см. таблицу). Кроме  воздуха, И. г. присутствуют в растворённом виде в воде, содержатся в некоторых  минералах и горных породах. Гелий  входит в состав подземных газов  и газов минеральных источников. Остальные стабильные И. г. получают из воздуха в процессе его разделения. Источником радона служат радиоактивные  препараты урана, радия и др. После  использования стабильные И. г. вновь  возвращаются в атмосферу и поэтому их запасы (кроме лёгкого Не, который постепенно рассеивается из атмосферы в космическом пространстве) не уменьшаются. 

Молекулы инертных газов одноатомны. Все инертные газы. не имеют цвета, запаха и вкуса; бесцветны  они в твёрдом и жидком состоянии. Наличие заполненной внешней  электронной оболочки обусловливает  не только высокую химическую инертность И. г., но и трудности получения  их в жидком и твёрдом состояниях (см. таблицу). Другие физические свойства И. г. см. в статьях об отдельных  элементах. 

Эле­мент 
 

Атомная масса 
 

Содер­жание в воздухе, об. % 
 

Атомные радиусы 
 

Первые потенциалы ионизации, в 
 

При 1 атм. (~100 кн/м2) 

по А. Бонди 
 

по В. И. Лебедеву 
 

tпл, °С 
 

tкип, °С 

Не 
 

4,0026 
 

4,6·10-4 
 

1,40 
 

0,291 
 

24,58 
 

—272,6* 
 

—268,93 

Ne 
 

20,179 
 

1,61·10-3 
 

1,54 
 

0,350 
 

21,56 
 

—248,6 
 

—245,9 

Ar 
 

39,948 
 

0,9325 
 

1,88 
 

0,690 
 

15,76 
 

—189,3 
 

—185,9 

Kr 
 

83,80 
 

1,08·10-4 
 

2,02 
 

0,795 
 

14,00 
 

—157,1 
 

—153,2 

Xe 
 

131,30 
 

8·10-6 
 

2,16 
 

0,986 
 

12,13 
 

—111,8 
 

—108,1 

Rn 
 

222** 
 

6·10-18 
 

— 
 

1,096 
 

10,75 
 

около —71 
 

около —63 

*При 26 атм. (~2,6 Мн/м2). 

**Массовое число  наиболее долгоживущего изотопа. 

Долгое время попытки  получить химические соединения инертные газы оканчивались неудачей. Положить конец представлениям об абсолютной химической недеятельности инертные газы удалось канадскому учёному Н. Бартлетту, который в 1962 сообщил о синтезе  соединения Xe с PtF6. В последующие  годы было получено большое число  соединений Kr, Xe и Rn, в которых инертные газы имеют степени окисления +1, +2, +4, +6 и +8. При этом существенно, что  для объяснения строения этих соединений не потребовалось принципиально  новых представлений о природе  химической связи, и связь в соединениях  инертные газы хорошо описывается, например, методом молекулярных орбиталей (Валентность, Молекулярных орбиталей метод). Из-за быстрого радиоактивного распада Rn его  соединения получены в ничтожно малых  количествах и состав их установлен ориентировочно. Соединения Xe значительно  стабильнее соединений Kr, а получить устойчивые соединения Ar и более  лёгких инертные газы пока не удалось. В большинстве реакций инертные газы участвует фтор: одни вещества получают, действуя на инертные газы фтором или фторсодержащими агентами (SbF5, PtF6 и т. д.), другие образуются при  разложении фторидов инертные газы Имеются  указания на возможность протекания реакций Xe и Кr с хлором. Получены также окислы (Xe03, Xe04) и оксигалогениды инертные газы 

Кроме указанных  выше соединений, инертные газы образуют при низких температурах соединения включения. Так, все инертные газы, кроме  Не, дают с водой кристаллогидраты типа Хе×6Н2О, с фенолом тяжёлые  инертные газы дают соединения типа Хе×3С6Н5ОН и т. д. 

Промышленное использование  инертные газы основано на их низкой химической активности или специфических физических свойствах. Примеры применения инертные газы см. в статьях об отдельных  элементах. 

  

«Инертные газы»  — химия может быть у инертного  вещества, если в его атомах заполнены  все электронные оболочки и, стало  быть, оно по определению ни с  чем не должно взаимодействовать. во второй половине XX века химикам удалось  преодолеть оборону заполненных  оболочек и синтезировать неорганические соединения инертных газов. А в XXI веке учёные из России и Финляндии получили вещества, которые состоят только из атомов инертного газа, углерода и водорода.

Всё начиналось со фторидов 

Собственно говоря, о том, что химические соединения криптона, ксенона и радона с сильными окислителями вполне могут существовать, Лайнус Полинг упоминал ещё в 1933 году. Однако прошло около тридцати лет, прежде чем в 1962 году Нил Бартлетт синтезировал в Канаде первое из таких соединений — XePtF 6, при этом в реакции участвовали  благородный газ и мощный окислитель, гексафторид платины. Соображения, на которые учёный опирался в своём  поиске, были весьма простыми и интуитивно понятными каждому химику: если гексафторид  платины столь силён, что отбирает электрон даже у молекулярного кислорода, то почему он не может это сделать  с ксеноном? Ведь внешний электрон у атома этого газа привязан к  ядру ничуть не сильнее, чем у кислорода, — об этом свидетельствуют почти  одинаковые значения потенциала ионизации. После того как успешный синтез подтвердил гипотезу, было получено целое семейство  соединений ксенона с сильными окислителями — фторидов, оксифторидов, оксидов, солей ксеноновой кислоты и многочисленные комплексы. Химики синтезировали также  хлорид ксенона и фторсодержащие соединения со связями Xe–B и Xe–N. 

В последующие двадцать лет интригующие события развернулись на стыке химии ксенона и органической химии. В семидесятые годы появилось  сообщение о синтезе нестабильной молекулы FXeCF 3, а затем и Xe(CF 3 ) 2. В  конце восьмидесятых получили уже  стабильные ионные соли, в которых  катион содержал связь Xe–C (в качестве аниона, как правило, выступал борфторид). Среди соединений такого типа особый интерес (почему — станет понятно  позже) представляет соль алкинилксенония  — [t–BuC¤CXe] + [BF 4] –, которую синтезировали  В.В. Жданкин, П. Стэнг и Н.С. Зефиров  в 1992 году. Вообще-то, подобные соединения можно считать как органическими, так и неорганическими, но в любом  случае их получение стало большим  шагом вперёд и для теоретической, и для синтетической химии. 

Гораздо труднее  сдавался криптон. Однако и его удалось  сначала соединить со фтором, а  затем встроить и в более сложные  молекулы. Не нужно думать, что все  эти соединения — некая забавная экзотика. По крайней мере, один класс  из них, фториды ксенона и, прежде всего, его дифторид, довольно часто  применяют, если в лабораторных опытах нужно что-то профторировать. Работают они и для вскрытия минерального сырья, и, естественно, как промежуточные  соединения при синтезе новых  производных ксенона. 

В целом „бартлеттовское“ направление в химии инертных газов имеет две главные особенности. Во-первых, оно принадлежит к ионной химии. Так, формулу первого соединения ксенона правильнее записывать как Xe + [PtF 6] –. Во всех случаях инертный газ служит восстановителем. Это  понятно из самых общих соображений: при всём желании атом с заполненной  электронной оболочкой не способен принять ещё один электрон, а вот  отдать — может. Главное, чтобы партнёр  был агрессивен и настойчив, то есть обладал ярко выраженными окислительными свойствами. Неудивительно, что легче  других расстаётся со своим „октетным  благородством“ ксенон: у него электроны  внешней оболочки расположены дальше от ядра и удерживаются слабее. 

Во-вторых, современная  химия инертных газов тесно привязана  к химии фтора. В состав подавляющего большинства соединений входят атомы  фтора, и даже в тех редких случаях, когда фтора нет, путь к их получению  всё равно лежит через фториды. 

А может ли быть иначе? Существуют ли соединения инертных газов  не только без фтора, но и без каких-либо других окислителей? Например, в виде нейтральных стабильных молекул, где  атом инертного газа связан с водородом  и ни с чем больше? До недавнего  времени такой вопрос, повидимому, даже не приходил в голову ни теоретикам, ни экспериментаторам. Между тем  именно о таких молекулах речь пойдёт дальше.

Лирическое отступление  о роли благородства 

Прежде чем говорить о гидридах инертных газов, давайте  вернёмся к самому началу, а именно — к инертности благородных газов. Несмотря на всё сказанное выше, элементы главной подгруппы восьмой  группы вполне оправдывают своё групповое  название. И человек использует их естественную инертность, а не вынужденную  реакционную способность. 

Например, физико-химики любят применять такой метод: заморозить смесь инертного газа с молекулами какого-либо вещества. Остыв до температуры между 4 и 20К, эти молекулы оказываются в изоляции в так называемой матрице твёрдого инертного газа. Далее можно действовать  светом или ионизирующим излучением и смотреть, что за промежуточные  частицы получаются. В других условиях такие частицы не видны: они слишком  быстро вступают в реакции. А с  инертным газом, как считалось в  течение многих лет, прореагировать очень непросто. Такими исследованиями на протяжении многих лет занимались в наших лабораториях — в Научно-исследовательском  физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова, а затем и в Институте  синтетических полимерных материалов РАН, причём использование матриц с  различными физическими свойствами (аргона, криптона, ксенона) рассказало много нового и интересного о  влиянии окружения на радиационно-химические превращения изолированных молекул. Но это — тема для отдельной  статьи. Для нашей же истории важно, что такая матричная изоляция неожиданно для всех привела в  совершенно новую область химии  инертных газов. И случилось это  в результате одной встречи на международной конференции по матричной  изоляции в США, которая произошла  в 1995 году. Именно тогда научный мир  впервые узнал о существовании  новых необычных соединений ксенона  и криптона. 

Гидриды