UŠLECHTILÉ PLYNY: VLASTNOSTI, KONFIGURACE, REAKCE, POUŽITÍ - CHEMIE - 2024

Tyto vzácné plyny jsou soubor prvků zjištěných prostřednictvím začlenění skupiny 18 periodické tabulky. Za ta léta oni byli také nazýváni vzácnými nebo inertními plyny, oba nepřesná jména; některé z nich jsou velmi hojné mimo a uvnitř planety Země a jsou také schopné, v extrémních podmínkách, reagovat.

Jeho sedm prvků tvoří možná nejunikátnější skupinu v periodické tabulce, jejíž vlastnosti a nízké reaktivity jsou stejně působivé jako vlastnosti ušlechtilých kovů. Mezi nimi přehlíží nejnebezpečnější prvek (neon), druhý nejhojnější z Kosmu (helium) a nejtěžší a nejstabilnější (oganeson).

Záře pěti vzácných plynů ve skleněných lahvičkách nebo ampulkách. Zdroj: Nová práce Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew.de); původní jednotlivé obrázky: Jurii, Ušlechtilé plyny jsou nejchladnější látky v přírodě; odolává velmi nízkým teplotám před kondenzací. Ještě obtížnější je jeho zmrazení, protože jeho intermolekulární síly založené na londýnském rozptylu a polarizovatelnost jeho atomů jsou příliš slabé, aby je udržely soudržné v krystalu.

Vzhledem k jejich nízké reaktivitě se jedná o relativně bezpečné plyny pro skladování a nepředstavují příliš mnoho rizik. Mohou však vytlačit kyslík z plic a způsobit nadměrné vdechnutí. Na druhé straně jsou dva jeho členové vysoce radioaktivními prvky, a proto smrtelně zdraví.

Nízká reaktivita vzácných plynů se také používá k zajištění reakcí s inertní atmosférou; takže žádné činidlo ani produkt nehrozí riziko oxidace a ovlivnění výkonu syntézy. To také zvýhodňuje procesy svařování elektrickým obloukem.

Na druhé straně jsou ve svých kapalných stavech výbornými kryogenními chladivy, které zaručují nejnižší teploty, nezbytné pro správnou činnost vysoce energetického zařízení nebo pro to, aby některé materiály dosáhly supravodivých stavu.

Vlastnosti vzácných plynů

Vpravo (zvýrazněno oranžově) je skupina vzácných plynů. Od shora dolů: Helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) a radon (Rn).

Snad ušlechtilé plyny jsou prvky, které sdílejí společné vlastnosti, a to jak fyzikální, tak chemickou. Jeho hlavní vlastnosti jsou:

- Všechny jsou bezbarvé, bez zápachu a bez chuti; ale když jsou uzavřeny v ampulkách při nízkém tlaku a obdrží elektrický výboj, ionizují a vydávají barevná světla (horní obrázek).

- Každý vzácný plyn má své vlastní světlo a spektrum.

- Jsou to monatomické druhy, jediné v periodické tabulce, které mohou existovat ve svých příslušných fyzikálních stavech bez účasti chemických vazeb (protože kovy jsou spojeny kovovými vazbami). Jsou proto ideální pro studium vlastností plynů, protože se velmi dobře přizpůsobují kulovému modelu ideálního plynu.

- Jsou to obvykle prvky s nejnižší teplotou tání a teplotou varu; natolik, že hélium nemůže dokonce krystalizovat při absolutní nule bez zvýšení tlaku.

- Ze všech prvků jsou nejméně reaktivní, dokonce méně než ušlechtilé kovy.

- Jejich ionizační energie jsou nejvyšší, stejně jako jejich elektronegativity, za předpokladu, že vytvářejí čistě kovalentní vazby.

- Jejich atomové poloměry jsou také nejmenší, protože jsou v krajní pravici každé periody.

7 vzácných plynů

Sedm vzácných plynů sestupuje shora dolů skrz skupinu 18 periodické tabulky:

-Helio, On

-Neon, Ne

-Argon, Ar

-Krypton, Kr

-Xenon, Xe

-Radon, Rn

-Oganeson, Og

Všechny, s výjimkou nestabilního a umělého oganesonu, byly studovány z hlediska jejich fyzikálních a chemických vlastností. Oganeson, kvůli jeho velké atomové hmotnosti, je věřil být ne dokonce plyn, ale poněkud ušlechtilá kapalina nebo pevná látka. O radonu je málo známo kvůli jeho radioaktivitě vzhledem k heliu nebo argonu.

Elektronická konfigurace

Bylo řečeno, že ušlechtilé plyny mají své valenční pouzdro plně naplněné. Tolik, že jejich elektronické konfigurace se používají ke zjednodušení ostatních elektronických prvků pomocí jejich symbolů uzavřených v závorkách (,,, atd.). Jeho elektronické konfigurace jsou:

-Helium: 1s ², (2 elektrony)

-Neon: 1s ² 2s ² 2p ⁶, (10 elektronů)

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

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

-Xenon: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶ (54 elektronů)

-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 ¹⁰ 6s ² 6p ⁶ (86 elektronů)

Důležité je, aby si na ně nevzpomněli, ale podrobně je uvedli, že končí v ns ² np ⁶: valenční oktet. Podobně se oceňuje, že jeho atomy mají mnoho elektronů, které jsou díky velké efektivní jaderné síle v porovnání s ostatními prvky menší; to znamená, že jejich atomové poloměry jsou menší.

Proto jejich elektronicky husté atomové poloměry vykazují chemickou charakteristiku, kterou sdílejí všechny vzácné plyny: je obtížné polarizovat.

Polarizovatelnost

Ušlechtilé plyny si lze představit jako sféry elektronových mraků. Jak jeden sestupuje přes skupinu 18, jeho poloměry se zvětšují, a stejným způsobem vzdálenost, která odděluje jádro od valenčních elektronů (ty ns ² np ⁶).

Tyto elektrony cítí méně přitažlivou sílu jádra, mohou se volně pohybovat; koule se snadněji deformují, čím jsou větší. V důsledku těchto pohybů se objevují oblasti s nízkou a vysokou hustotou elektronů: póly δ + a δ-.

Když je atom ušlechtilého plynu polarizován, stává se okamžitým dipólem schopným vyvolat další sousední atom; to znamená, že jsme před rozptýlenými silami Londýna.

Proto se mezimolekulární síly zvyšují z helia na radon, což se odráží v jejich zvyšujících se bodech varu; a nejen to, ale také se zvyšuje jejich reaktivita.

Když jsou atomy polarizovány, existuje větší pravděpodobnost, že se jejich valenční elektrony účastní chemických reakcí, po kterých se generují sloučeniny vzácných plynů.

Reakce

Helium a neon

Mezi vzácnými plyny jsou nejméně reaktivní helium a neon. Ve skutečnosti je neon nejinertnějším prvkem ze všech, i když jeho elektronegativita (z formování kovalentních vazeb) převyšuje fluor.

Žádná z jejích sloučenin není známa za suchozemských podmínek; v Kosmu je však existence molekulárního iontu HeH ⁺ docela pravděpodobná. Podobně, když jsou elektronicky vzrušeni, jsou schopni interagovat s plynnými atomy a vytvářet krátkodobě neutrální molekuly zvané excimery; jako HeNe, CsNe a Ne ₂.

Na druhou stranu, ačkoli nejsou považovány za sloučeniny ve formálním smyslu, atomy He a Ne mohou vést ke vzniku molekul Van der Walls; to znamená, že sloučeniny, které jsou drženy „pohromadě“ jednoduše pomocí disperzních sil. Například: Ag ₃ He, heco Hei ₂, CF ₄ Ne, Ne ₃ Cl ₂ a NeBeCO ₃.

Podobně takové Van der Wallsovy molekuly mohou existovat díky slabým iontově indukovaným dipólovým interakcím; například: Na ⁺ He ₈, Rb ⁺ He, Cu ⁺ Ne ₃ a Cu ⁺ Ne ₁₂. Všimněte si, že je dokonce možné, aby se tyto molekuly staly aglomeráty atomů: shluky.

A konečně, atomy He a Ne mohou být „zachyceny“ nebo interkalovány v endohedálních komplexech fullerenů nebo klatrátů, aniž by reagovaly; například: ₆₀, (N ₂) ₆ Ne ₇, on (H ₂ O) ₆ a Ne • NH ₄ Fe (HCOO) ₃.

Argon a kryptón

Ušlechtilé plyny argon a krypton, protože jsou více polarizovatelné, mají tendenci prezentovat více „sloučenin“ než helium a neon. Část z nich je však stabilnější a charakterističtější, protože mají delší životnost. Mezi ně patří HArF a molekulární ion ArH ⁺, přítomný v mlhovinách působením kosmického záření.

Z kryptonu začíná možnost získání sloučenin v extrémních, ale udržitelných podmínkách. Tento plyn reaguje s fluorem podle následující chemické rovnice:

Kr + F ₂ → KrF ₂

Všimněte si, že krypton získává oxidační číslo +2 (Kr ²⁺) díky fluoru. KrF ₂ může být ve skutečnosti syntetizován v obchodovatelných množstvích jako oxidační a fluorační činidlo.

Argon a krypton mohou vytvořit široký repertoár klatrátů, endohedrálních komplexů, molekul Van der Walls a některých sloučenin, které čekají na objev po jejich předpokládané existenci.

Xenon a radon

Xenon je králem reaktivity mezi vzácnými plyny. Tvoří skutečně stabilní, obchodovatelné a charakterizovatelné sloučeniny. Ve skutečnosti se jeho reaktivita podobá reaktivitě kyslíku za vhodných podmínek.

Jeho první syntetizovaná sloučenina byla "XePtF ₆ ", v roce 1962 Neil Bartlett. Tato sůl ve skutečnosti podle literatury sestávala z komplexní směsi jiných fluorovaných solí xenonu a platiny.

To však bylo více než dost, aby se prokázala afinita mezi xenonem a fluorem. Mezi některé z těchto sloučenin máme: XEF ₂, XEF ₄, XEF ₆ a ^{+ -}. Když se XeF ₆ rozpustí ve vodě, vytvoří oxid:

XEF ₆ + 3 H ₂ O → Xeo ₃ + 6 HF

Tento Xeo ₃ může pocházet druhy známé jako xenatos (HXeO ₄ ^-) nebo kyselina xenonová (H ₂ Xeo ₄). Xenates nepřiměřené perxenates (XEO ₆ ⁴); a v případě, že směs se potom okyselí, v peroxenic kyseliny (H ₄ Xeo ₆), který se dehydratuje na xenonu osmičelý (XEO ₄):

H ₄ Xeo ₆ → 2 H ₂ O + Xeo ₄

Radon by měl být nejreaktivnější ze vzácných plynů; Je však tak radioaktivní, že před rozpadem nemá čas reagovat. Jediné sloučeniny, které byly plně syntetizované jsou jeho fluorid (RNF ₂) a oxid (RNO ₃).

Výroba

Zkapalňování vzduchu

Když sestupujeme skrze skupinu 18, vzácné plyny se ve vesmíru hojněji vyskytují. V atmosféře je však hélium vzácné, protože gravitační pole Země ho na rozdíl od jiných plynů nezachovává. Proto nebyl detekován ve vzduchu, ale na slunci.

Na druhé straně ve vzduchu jsou pozoruhodná množství argonu, která pocházejí z radioaktivního rozpadu radioizotopu ⁴⁰ K. Vzduch je nejdůležitějším přírodním zdrojem argonu, neonů, kryptonu a xenonu na planetě.

Při jejich výrobě musí být vzduch nejprve zkapalněn tak, aby kondenzoval na kapalinu. Potom tato tekutina prochází frakční destilace, čímž se odděluje každou ze složek jeho směsi (N ₂, O ₂, CO ₂, Ar, atd).

V závislosti na tom, jak nízká musí být teplota a hojnost plynu, se jeho ceny zvyšují a xenon se řadí mezi nejdražší, zatímco hélium jako nejlevnější.

Destilace zemního plynu a radioaktivních minerálů

Hélium se získává z jiné frakční destilace; ale ne ze vzduchu, ale ze zemního plynu, obohaceného o helium díky uvolňování alfa částic z radioaktivních thoria a uranových minerálů.

Podobně se radon „rodí“ z radioaktivního rozpadu radia v příslušných minerálech; ale kvůli jejich nižšímu hojnosti a krátkému poločasu Rn atomů je jejich hojnost ve srovnání s kongenery (jinými vzácnými plyny) nesmírná.

A konečně, oganeson je vysoce radioaktivní, ultramasický, člověkem vyrobený ušlechtilý „plyn“, který může existovat jen krátce za kontrolovaných podmínek v laboratoři.

Nebezpečí

Hlavním rizikem ušlechtilých plynů je to, že omezují použití kyslíku člověkem, zejména když vzniká atmosféra s vysokou koncentrací. Z tohoto důvodu se nedoporučuje nadměrně vdechovat.

Ve Spojených státech byla zjištěna vysoká koncentrace radonu v půdách bohatých na uran, což by vzhledem ke svým radioaktivním vlastnostem mohlo představovat zdravotní riziko.

Aplikace

Průmysl

Hélium a argon se používají k vytvoření inertní atmosféry pro ochranu během svařování a řezání. Kromě toho se používají při výrobě křemíkových polovodičů. Hélium se používá jako plnicí plyn v teploměrech.

Argon v kombinaci s dusíkem se používá při výrobě žárovek. Ve výbojkách se používá krypton smíchaný s halogeny, jako je brom a jod. Neon se používá ve světlých znameních, ve směsi s fosfory a jinými plyny, které zabarvují jeho červenou barvu.

Xenon se používá v obloukových lampách, které vyzařují světlo připomínající denní světlo, které se používají v automobilových světlometech a projektorech. Vzácné plyny jsou smíchány s halogeny za vzniku ArF, KrF nebo XeCl, které se používají při výrobě excimerových laserů.

Tento typ laseru produkuje ultrafialové světlo s krátkými vlnami, které vytváří vysoce přesné obrazy a používá se při výrobě integrovaných obvodů. Jako kryogenní chladicí plyny se používají helium a neon.

Balónky a dýchací nádrže

Hélium se používá jako náhrada dusíku ve směsi dýchacích plynů, a to kvůli jeho nízké rozpustnosti v těle. Tím se zabrání tvorbě bublin během dekompresní fáze během výstupu, kromě eliminace narkózy dusíku.

Helium nahradilo vodík jako plyn, který umožňuje zvedání vzducholodí a horkovzdušných balónů, protože se jedná o lehký a nehořlavý plyn.

Lék

Hélium se používá při výrobě supravodivých magnetů používaných v jaderných magnetických rezonančních zařízeních - víceúčelový nástroj v medicíně.

Krypton se používá v halogenových lampách používaných při laserových očních operacích a angioplastice. Hélium se používá k usnadnění dýchání astmatických pacientů.

Xenon se používá jako anestetikum kvůli jeho vysoké rozpustnosti v tucích a je považován za anestetikum budoucnosti. Xenon se také používá při lékařském zobrazování plic.

Radon, radioaktivní ušlechtilý plyn, se používá v radiační terapii u některých typů rakoviny.

Ostatní

Argon se používá při syntéze sloučenin nahrazujících dusík jako inertní atmosféru. Hélium se používá jako nosný plyn v plynové chromatografii a také v Geigerových čítačích k měření záření.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie. (8. ed.). CENGAGE Učení.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6. června 2019). Vlastnosti, použití a zdroje Noble Gases. Obnoveno z: thinkco.com
4. Wikipedia. (2019). Ušlechtilý plyn. Obnoveno z: en.wikipedia.org
5. Philip Ball. (2012, 18. ledna). Nemožná chemie: Přinutit k práci vzácné plyny. Obnoveno z: newscientist.com
6. Profesorka Patricia Shapleyová. (2011). Chemie vzácných plynů. Obnoveno z: butane.chem.uiuc.edu
7. Gary J. Schrobilgen. (28. února 2019). Ušlechtilý plyn. Encyclopædia Britannica. Obnoveno z: britannica.com