Хімічні властивості і сполуки благородних газів

Кіровоградський державний педагогічний університет

Імені Володимира Винниченка

природничо-географічний факультет

кафедра хімії

Текст лекції

з курсу неорганічної хімії:

ЕЛЕМЕНТИ VІІІA ГРУПИ.

Кіровоград 2008.

ЕЛЕМЕНТИ VІІІA ГРУПИ

Загальна характеристика елементів VIIIA групи

До VIIIA групи періодичної системи належать: гелій Не, неон Ne, аргон Аr, криптон Кr, ксенон Хе та радіоактивний радон Rn.

Усі періоди системи закінчуються елементами VIIIA групи. Елементи цієї групи є межею між активними неметалами - галогенами, та лужними металами. Раніше ця група мала назву нульової, а елементи називалися інертними. Така назва проіснувала до початку шістдесятих років XX століття, коли вперше було синтезовано їх хімічні сполуки. Тепер групова назва елементів VIIIA групи — благородні гази.

Елементи VIIIA групи мають повністю заповнений восьми-електронний шар ns²np⁶ (у гелію 1s2). s-Елемент гелій відноситься до VIII групи завдяки своїй інертності. У гелію та неону відсутня вакантна d-оболонка, і тому навіть теоретично неможливе існування цих елементів у збудженому стані, що також зумовлює їх хімічну інертність.

Властивості елементів VIIIA групи

	He	Ne	Ar	Kr	Xe	Rn
Відносна атомна маса	4,0026	20,117	39,94	83,80	131,30	[222]
Валентні електрони	1s²	2s²2p⁶	3s²3p⁶	4s²4p⁶	5s²5p⁶	6s²6p⁶
Атомний радіус, нм	0,122	0,160	0,192	0,198	0,218	0,22
Енергія іонізації E^o®E⁺, eB	24,58	21,56	15,69	13,99	12,13	10,75
Розчинність у 1 л води при 0 °С, мл
Вміст у 1 м³ повітря, см³					0,08	практично відсутній

Благородні гази у своїх періодах мають найменші величини атомних радіусів та найбільші значення потенціалів іонізації. Із збільшенням атомного радіуса зверху вниз спостерігається суттєве зменшення енергії іонізації. Тому найважче

відірвати електрон від атома Не, найлегше від атома Rn.

Існування в природі та фізичні властивості благородних газів

Внаслідок своєї інертності елементи VIIIA групи зосереджені в атмосфері та земній корі у вигляді одноатомних газоподібних молекул. За допомогою методу МО було доведено, що вони не можуть існувати в природі у вигляді двоатомних молекул. Вміст благородних газів в атмосфері досить незначний. Найбільшу їх кількість для наукових і технічних цілей одержують фракційною перегонкою рідкого повітря. Гелій з повітря вилучити важко, оскільки внаслідок своєї легкості він знаходиться у верхніх шарах атмосфери, тому одержують його головним чином з води деяких мінеральних джерел. У космосі гелій разом з воднем — найбільш розповсюджені елементи. Не випадково гелій вперше був виявлений (1868 р.) методом спектрального аналізу на Сонці.

Благородні гази не мають кольору, запаху, смаку, мало розчинні у воді. їх розчинність у воді зростає із збільшенням заряду ядра атома. У 100 об'ємах води при 0 °С та тиску 100 кПа розчиняється один об'єм гелію та 50 об'ємів радону.

Хімічні властивості і сполуки благородних газів

Початком дослідження хімічних властивостей благородних газів можна вважати кінець XIX століття, коли було визначено, що при охолодженні до 0 °С аргон утворює кристалогідрат Аr · 6Н₂О. Потім аналогічні сполуки були одержані для криптону Кr 6Н₂О та ксенону Хе · 6Н₂О. Утворення благородними газами кристалогідратів свідчить про їх здатність до хімічної взаємодії. Виявилося, що ці сполуки нестійкі, але зі зростанням розмірів атомів благородні гази більш щільно входять у порожнечу структури льоду.

Сполуки включення, так звані клатрати, в яких зв'язки здійснюються за рахунок не валентної взаємодії, а Ван-дер-Ваальсових сил, благородні гази утворюють з деякими органічними сполуками: з фенолом Rn ЗС₆Н₅ОН, толуолом Rn · 2С₆Н₅СН₃, з р-хлорфенолом Rn • ЗС1С₆Н₄ОН.

Існування подібних клатратів дало підставу говорити про Аr, Кr, Хе і Rn як про атоми елементів, що виявляють певну схильність до взаємодії.

Хімічні сполуки благородних газів одержав у 1962 році англійський хімік Н. Бартлетт. Він взаємодією гексафториду платини PtF₆ з ксеноном одержав Xe[PtF₆]:

0 +6 +1 +5

Хе + PtF₆ = Xe[PtF₆].

Ступінь окиснення ксенону Хе (+1) говорить про утворення хімічного зв'язку між ксеноном та внутрішньою сферою комплексу.

Найважчі благородні гази (криптон, ксенон, радон) досить легко реагують з фтором. Так, ксенон як найбільш активний з благородних газів, в залежності від співвідношення реагуючих речовин, терміну та умов перебігу реакції фторування утворює фториди у різному ступені окиснення:

Хе + F₂ = XeF₂,

Хе + 2F₂ = XeF₄,

Хе + 3F₂ = XeF₆.

З криптоном реакція відбувається у більш жорстких умовах. Хімічний зв'язок цих молекул — ковалентний. Для виявлення механізму його утворення доцільно уявити, що фтор, як більш електронегативний елемент, здатний зруйнувати електронну оболонку ксенону з утворенням іонного зв'язку. Для цього ксенон попередньо мусив би перейти у збуджений стан. Як показали результати досліджень, енергія збудження така висока, що зовсім не компенсується при формуванні двоелектронних двоцентрових зв'язків.

Пояснити механізм утворення цих зв'язків можна лише за методом МО. Так, у молекулі XeF₂ за рахунок однієї 5p-орбіталі атома Хе і двох 2p-орбіталей атомів фтору утворюються три молекулярні орбіталі: зв'язуюча, незв'язуюча та розпушуюча:

Це приводить до того, що чотири електрони, які належать АО ксенону і двом АО фтору, займають зв'язуючу та незв'язуючу молекулярні орбіталі, залишивши розпушуючу орбіталь вільною. Такий розподіл електронів знижує енергію системи та робить XeF₂ стійкою сполукою.

У хімічному відношенні фториди ксенону є енергійними фторуючими агентами. їх зручніше використовувати як фторуючі агенти, ніж газоподібний, дуже агресивний фтор. По-перше, їх легше дозувати, по-друге, продукти фторування є більш чистими. Слід зазначити, що XeF4 більш сильний окисник, ніж XeF₂

При гідролізі XeF₄ утворюється малостійкий оксид ксенону(VІ), і реакція супроводжується диспропорціонуванням Xe(IV):

6XeF₄ + 12H₂O = 4Хе + ЗО₂ + 2ХеО₃ + 24НF.

Оксид ксенону(VІ) має кислотні властивості, йому відповідає кислота Н₂ХеO₄, яка існує лише нижче -20 °С, але Її солі більш стійкі, вони утворюються внаслідок реакції:

ХеО₃ + 2NaOH = Na₂XeO₄ + Н₂О.

Окисненням ХеО₃ озоном одержують похідні Хе, які відповідають номеру групи, в якій знаходиться ксенон:

ХеО₃ + О₃ + 4NaOH = Na₄XeO₆ + О₂ + 2Н₂О.

Радон дуже радіоактивний, тому його хімічні властивості досліджені недостатньо.