Способы получения инертных газов

Все благородные газы не имеют цвета, вкуса и запаха, плохорастворимы в воде, обладают низкими температурами плавления и кипения. Некоторые физические свойства благородных газов приведены в таблице:

Свойство	He	Ne	Ar	Kr	Xe	Rn
Температура плавления,°С	-272,2	-248,6	-189,4	-157,4	-111,8	-71,0
Температура кипения,°С	-268,9	-246,1	-185,9	-153,4	-108,2	-62,0
Растворимость в воде при 20°С, мл/л	8,6	10,5	33,6	59,4	108,1	230,0

Гелий – единственное вещество, которое не существует в твердом состоянии при атмосферном давлении.

11.5. Химические свойства благородных газов

Гелий, неон и аргон не образуют химических соединений и только их можно назвать истинными «инертными» газами. Криптон, ксенон и радон образуют соединения с кислородом и фтором, а также комплексные соединения.

Ксенон горит в атмосфере фтора ярким пламенем, при этом образуется смесь фторидов:

Состав образующейся смеси зависит от соотношения компонентов в исходной смеси, времени и условий взаимодействия.

Дифторид ксенона может быть получен при окислении ксенона фторидом серебра (I):

Оксосоединения образуются из фторидов.

11.6. Получение благородных газов

Получают благородные газы фракционной перегонкой жидкого воздуха.

Источник

Благородные газы и их свойства

Общая характеристика истории открытия благородных газов. Особенность очень низкой химической активности и высокой электропроводности элементов. Способы получения гелия, неона, аргона, криптона и радона. Анализ применения инертных газовых веществ.

Рубрика	Химия
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	07.11.2016
Размер файла	764,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Алтайский государственный университет»

Кафедра неорганической химии

Благородные газы и их свойства

Глава 1. История открытия благородных газов

Глава 2. Общая характеристика благородных газов

Глава 3. Свойства благородных газов

3.1 Физические свойства

3.2 Химические свойства

3.3 Физиологическое действие

Глава 4. Способы получения благородных газов

Глава 5. Применение благородных газов

Используемая литература и интернет ресурсы

К благородным, или инертным, газам относятся: гелий Не, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Хе, радон Rn. Они относятся к VIII группе, главной подгруппе периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Одноатомные газы без цвета и запаха. Внешняя электронная оболочка молекул заполнена (s2p6), благодаря чему при нормальных условиях благородные газы моноатомны и химически инертны. Входят в состав земной атмосферы: наиболее распространен аргон (0,934% по объему), наименее распространен ксенон (0,86*10-5%). В небольших количествах содержатся в некоторых минералах, природных газах, в растворенном виде — в воде. Кроме этого, обнаружены также в атмосферах планет-гигантов и на Солнце (гелий).[2]

Химия благородных газов не является разнообразной в виду их инертности, но с другой стороны представляет собой очень интересной к исследованию из-за их особого строения и свойств. Изучение данных элементов и их соединений является очень актуальным, так как находится на стадии развития. Именно по этим причинам я посвятила им свою работу.

Глава 1. История открытия благородных газов

История открытия благородных газов драматична и могла бы послужить основой для хорошего химического детектива. А начиналась она довольно банально. Английский физик Джон Уильям Рэлей (Рис.1) не предполагал совершить никакого открытия. Опытный, педантичного склада экспериментатор, он в 1888 г. решил определить плотности и молекулярные массы различных газов с очень высокой для того времени степенью точности — до сотых долей процента. Однако азот, выделенный им из воздуха, неизменно оказывался тяжелее, чем полученный при разложении нитрата аммония. Литр азота воздуха имел массу 1,2572 г, а литр «химического» азота — 1,2505 г. Разница невелика, но она выходила за пределы экспериментальной погрешности и была постоянной. Сам Рэлей не сумел объяснить этот парадокс.

Через научный журнал «Nature» («Природа») Рэлей в апреле 1894 г. обратился к ученным с просьбой помочь в решении проблемы. Откликнулся только один человек — заведующий кафедрой химии Лондонского университета Уильям Рамзай (Рис.2). Он высказал неожиданную идею: вероятно, в азоте, выделенном из воздуха, есть небольшая примесь какого-то другого, более тяжелого газа. Мысль была смелая, даже дерзкая — ведь до этого состав воздуха изучали сотни исследователей.

Но вот, анализируя лабораторные записи Г. Кавендиша, Рэлей и Рамзай обратили внимание на старый, забытый уже опыт, выполненный в 1785 г. Пропуская через воздух, содержащий избыток кислорода, электрические разряды, Кавендиш превращал азот в оксид NO2, который поглощал раствором щелочи. В итоге примерно сотая по объему часть воздуха не вступала в реакцию, оставаясь неизменной. Это уже был четкий ориентир. Рамзай изменил этот опыт, связав кислород с помощью меди в оксид меди (II), а азот — магнием в нитрид магния. «В остатке», как и у Кавендиша, небольшая часть исходного объема воздуха. Но «личность» нового газа так и не была установлена.

Газ вел себя парадоксально: он не вступал в реакции с хлором, металлами, кислотами, щелочами, т.е. был абсолютно химически инертен. И еще одна неожиданность: Рамзай доказал, что его молекула состоит из одного атома, а до той поры одноатомные газы были неизвестны.

12 августа 1894 г. Рэлей выступил с докладом о новом газе в Британской ассоциации содействия науке. А позже новый элемент был назван аргоном (от греч. «аргос» — «ленивый», «безразличный»).

Этому сообщению поверили далеко не все химики, усомнился в нем и сам Менделеев. Периодическая система элементов являла собой удивительно целостное строение, открытие аргона, казалось, могло привести к тому, что все ее «здание» рухнет.

Атомная масса газа (39,9) указывала ему место между калием (39,1) и кальцием (40,1). Но в этой части таблицы все клетки давно были заняты. Авторы открытия, горячие сторонники периодического закона, тоже не испытывали особого торжества. Аргон не имел в таблице аналогов, и вообще ему не находилось места в периодической системе: ну куда можно поместить элемент, лишенный химических свойств?

Ответ на этот вопрос пришел не сразу. Прежде всего вспомним об открытии, которое сделали почти одновременно, в 1868 г., два астронома — француз Пьер Жюль Сезар Жансен (Рис.3) и англичанин Джозеф Норман Локьер (Рис.4). Эти ученные с помощью недавно изобретенного прибора — спектроскопа изучили спектр солнечных протуберанцев и обнаружили в нем желтую линию, принадлежащую новому элементу. Но официальное признание он получил только лишь четверть века спустя. Это случилось только после того, как гелий (так его назвали в честь греческого бога Солнца Гелиоса) открыли на Земле.[1]

В 1895 г. Рамзай при обработке очень редкого минерала клевеита nUO3 * mUO2 * xPbO серной кислотой обнаружили газ, спектральный анализ которого показал, что это «земной» гелий. Как установили позже, гелий непрерывно образуется в минерале в результате радиоактивного распада урана.

Теперь уже двум элементам не было места в периодической системе: аргону и гелию. После длительных дискуссий Менделеев и Рамзай пришли к выводу, что инертным, т.е. лишенным химических свойств, газам надо отвести отдельную, так называемую нулевую группу между галогенами и щелочными металлами.

В надежде отыскать остальные инертные газы Рамзай вернулся к изучению воздуха. Следующий инертный газ выделили в 1898 г. «методом исключения», после того как кислород, азот и все более тяжелые компоненты воздуха были превращены в жидкость. Оставшийся газ собрали, поместили в разрядную трубку, пропустили через нее электрический ток, и трубка вспыхнула ярким красно — оранжевым светом. Элементу далее незамысловатое название «неон», что в переводе с греческого означает «новый».

В том же году Рамзай выделил из жидкого воздуха (предварительно удалив кислород, азот и аргон) смесь, в которой спектральным методом были открыты еще два газа: криптон («скрытый», «секретный») и ксенон («чуждый», «необычный»). Таким образом, к лету 1898 г. оказались известны пять благородных газов.

За исследования в области инертных газов Рэлей и Рамзай были удостоены Нобелевской премии.

Рамзая, открывшего пять элементов, можно сравнить с золотоискателем, которому фантастически повезло — он напал на «золотую жилу». Однако этот великий ученный вложил в ее разработку колоссальный труд и ювелирное искусство. За два года работы он получил 300мл ксенона, для чего пришлось переработать 77,5 млн литров воздуха, т.е. 100 тонн!

В 1899 г. тогда еще молодой английский физик Эрнест Резерфорд (Рис.5) обнаружил, что радиоактивный распад тория сопровождается выделением неизвестного газа. Это оказался последний представитель «благородного семейства». Впоследствии новый элемент получил название «радон», в честь своего непосредственного «ядерного предтечи» радия.

Открытие благородных газов имело огромное значение для научного сообщества. В частности, оно помогло в проведении спектральных исследований. Оранжевая линия спектра стабильного изотопа криптона-86 принята в качестве международного эталона длины волны света. Однако самое большое значение открытие этих элементов имело для развития понятия валентности и учения о межмолекулярных силах. В этом направлении работали ученые Коссель и Льюис, которые выдвинули гипотезу о том, что электронная оболочка из 8 электронов наиболее устойчива и различные атомы стремятся приобрести ее путем присоединения или отщепления электронов.

До 1962 года считалось, что инертные газы не вступают ни в какие реакции. В 1962 году канадский ученый Н. Бартлетт (Рис.6) смог получить соединение ксенона и гексафторида платины XePtF6. Бартлетт впервые получил соединение, в которое была вовлечена восьмиэлектронная оболочка ксенона. Таким образом был разрушен миф об абсолютной инертности благородно-газовой оболочки. После этого название «инертные газы» уже не соответствовало действительности, поэтому по аналогии с малоактивными благородными металлами эту группу химических элементов назвали благородными газами. Поскольку были получены химические соединения, в которых максимальная валентность благородных газов равна 8, вместо нулевой группы их стали считать главной подгруппой VIII группы Периодической системы. [1]

Глава 2. Общая характеристика благородных газов

Главную подгруппу восьмой группы периодической системы составляют благородные газы — гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Эти элементы характеризуются очень низкой химической активностью, что и дало основание назвать их благородными, или инертными, газами. Они лишь с трудом образуют соединения с другими элементами или веществами; химические соединения гелия, неона и аргона не получены. Атомы благородных газов не соединены в молекулы, иначе говоря, их молекулы одноатомны. Химическая инертность элементов нулевой (восьмой) группы периодической системы объясняется, как известно, «замкнутым» характером их электронных оболочек (табл.1) — на внешнем электронном уровне все инертные газы содержат электронный октет.

Таблица 1. Строение электронных оболочек благородных газов

Источник

Получение из воздуха инертных газов

Когда Лемюэль Гулливер, «сначала хирург, а потом капитан нескольких кораблей», попал в страну Бальнибарби, ему было дозволено осмотреть Великую Академию Прожектеров в Лагадо.

Там он увидел «универсального искусника» и пятьдесят его помощников, посвятивших себя странным исследованиям. В частности, они «сгущали воздух в вещество сухое и осязаемое, извлекая из него селитру и процеживая водянистые и текучие его частицы».

Эту, на взгляд Свифта, забавную чепуху ему понадобилось придумать, чтобы осмеять ученых-схоластов своего времени, предававшихся бесплодным мудрствованиям. В соответствии с принятыми тогда взглядами Свифт считал бессмысленной какую-либо обработку воздуха.

Однако история в данном случае подшутила над Свифтом: сам того не подозревая, он оказался пророком. Через полтора—два столетия вымышленные занятия прожектеров обратились в будничную реальность, притом далеко обогнавшую фантазию великого сатирика.

Исследование состава воздуха привело к открытию входящих в него газов и к выработке методов их разделения. Выделяемые из воздуха газы нашли широкое практическое применение. Ныне исходя из воздуха получают и «сухие вещества», в том числе селитру, и множество более сложных химических соединений.

Как из воздуха получают инертные газы

Современные мощные воздухоразделительные машины производят огромные количества кислорода и азота. Попутно идет извлечение неона, аргона, криптона и ксенона; это требует только некоторого изменения технологического режима и введения в воздухоразделительные машины дополнительных устройств.

Воздух — не только практически единственный, но и неисчерпаемый и неизменный по составу источник получения этих четырех благородных газов. В литературе нередко приходится встречать сетования на то, что сырьевые ресурсы нефти, горючих газов и ряда элементов медленно истощаются: они химически изменяются (сгорают) или рассеиваются в результате человеческой деятельности.

Инертным газам такая участь никогда не будет грозить. Как бы интенсивно ни извлекали их из воздуха, они вновь и вновь туда возвращаются после использования, не меняя свой химический состав и физическое состояние и без каких-либо потерь.

При таком положении те 20 млрд. т криптона и 1 млрд. т ксенона, которые содержатся в земной атмосфере, в состоянии обеспечить на неопределенно долгие времена потребности человечества в этих газах при любом высоком уровне их потребления. А потребление, по всем данным, будет продолжать свой бурный рост. В наши дни инертные газы являются активными элементами технического прогресса.

Правило постоянства (точнее, очень медленного наращивания) запасов четырех инертных газов не нарушит и ксенон, даже в том случае, если производство его соединений достигнет внушительных размеров. Ведь использование любого соединения неизбежно сопровождается высвобождением ксенона и его возвращением в атмосферу.

Как осуществляют разделение воздуха на его основные компоненты? В принципе этот процесс прост. Воздух очищают от углекислоты и влаги и с помощью глубокого холода сжижают. Далее жидкий воздух постепенно испаряют. Поскольку кислород кипит при более высокой температуре (на 12,9°), чем азот, то вначале последний испаряется в почти чистом виде, и остающаяся в испарителе жидкость обогащается кислородом.

Чтобы добиться полного разделения, процесс много-кратно повторяют, для чего испарившуюся часть вновь конденсируют, пропуская противотоком стекающей вниз жидкости (флегме). Описанный процесс многократной фракционной перегонки называется ректификацией.

Его осуществляют в вертикальных цилиндрических трубах (колоннах), снабженных горизонтальными перегородками в виде металлических сеток или колпачков для увеличения поверхности контакта жидкости с газом, обменивающихся теплом. В конечном счете на верху колонны собирается почти чистый газообразный азот, а внизу — почти чистый жидкий кислород.

Обычно используются аппараты двухкратной ректификации . Аппарат состоит из двух сочлененных колонн — нижней высокого давления и верхней низкого давления — и промежуточного конденсатора, служащего испарителем у верхней колонны.

Он представляет собой заключенный в кожух пучок трубок, впаянных в решетку. Внутреннее пространство трубок сообщается с нижней колонной, где давление 5,2—5,5 ат, а пространство между трубками конденсатора соединено с верхней колонной, где давление в десять раз ниже.

Воздух поступает в нижнюю часть нижней колонны, в ней происходит сжижение воздуха и грубое разделение его на азот и кислород. Окончательное разделение происходит в верхней колонне. Из ее верхней части отводится азот, а из пространства над конденсатором —кислород. Низкое давление здесь способствует испарению жидких газов.

Современные воздухоразделительные установки позволяют получать в значительных количествах не только аргон, но и неон и криптон, а в близком будущем станет возможным получение на них и ксенона. Ныне мировая выработка неона и криптона исчисляется многими тысячами кубометров в год, и ожидается ее рост в среднем на 14% ежегодно в соответствии с ростом производства кислорода.

Каждый из инертных газов вначале получается в виде сырого концентрата, имеющего много примесей. Далее концентрат подвергается очистке химическими или физическими методами, а иногда теми и другими.

Статья на тему Получение из воздуха инертных газов

Способы получения инертных газов